WO2002077369A1 - Generatrice electrique actionnee par effet d'onde gyroscopique, et absorbeur d'onde utilisant cette generatrice - Google Patents

Generatrice electrique actionnee par effet d'onde gyroscopique, et absorbeur d'onde utilisant cette generatrice Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a gyro-type wave power generation device using a wave energy, which includes a control-moment gyro as a component.
  • Typical examples of the use of natural energy include solar power, wind power, and wave power, and solar power and wind power are already being put into practical use.
  • photovoltaic power generation has an economical problem in producing solar panels, and wind power generation needs to have a robust structure in Japan, which is subject to earthquakes and typhoons, and requires a large site area. Which problem is there.
  • wave power generation is a very promising energy source in Japan, which is surrounded by the sea around the sea, and although research is progressing, it has not yet reached full-scale practical use. Utilization is an important issue.
  • the present invention uses a gyro-type wave power generator that receives the sway of a floating body on the sea with a control moment gyro and uses the energy to generate power. It is an object of the present invention to solve the above problems by providing a wave canceling device using the same.
  • This power generator consists of a sealed gimbal, a flywheel in which the gimbal axis and the spin axis are arranged so as to be perpendicular to each other, and which can be spun around the spin axis.
  • the flywheel rotates at high speed.
  • a spin motor and a generator connected to the gimbal shaft via a high-speed gear are provided, and the gimbal rotates to generate power by shaking the floating body due to wave motion.
  • the device is equipped with a sensor that detects the inclination and angular velocity of the floating body, and an encoder that detects the rotation angle and posture of the gimbal. Using these signals, the swing of the Juntai and the rotation of the control gyro body are used. Synchronize the power generation efficiency.
  • the wave motion is basically a circular motion, the power generation efficiency is increased by adjusting the gimbal rotation according to the wave motion. Disclosure of the invention
  • a floating body a control moment gyro supported by the floating body, and a power generation device connected to a gimbal axis of the gyro via speed-increasing means, wherein the gimbal of the gyro is rotated by rocking of the floating body by waves.
  • a gyro-type wave power generation device characterized in that the power generation device is driven to generate power.
  • the floating body is provided with a plurality of control moment gyros, and power can be generated by each of the control moment gyros.
  • a gyro-type wave power generation device characterized in that a ballast is placed in the floating body, the natural frequency of the floating body is changed, and the frequency of the juniper and the frequency of the wave can be synchronized.
  • the gyro-type wave power generator is characterized in that the rotation speed of the gyro is controlled as described above.
  • a wave absorber comprising a plurality of the above-mentioned jar-type wave power generators arranged on a water surface.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a gyro-type wave power generation device including a control moment gyro, a generator, and a control device according to the present invention. .
  • FIG. 2 is a perspective view of a floating body used in the wave power generation device.
  • FIG. 3 is a control block diagram used for the same wave power generator.
  • FIG. 4 is a plan view showing an example of an arrangement of a control moment gyro in the same wave power generation device.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of a wave absorber in which a plurality of wave power generators are connected.
  • Figure 6 shows the relationship between wave height and generator output.
  • FIG. 1 is a perspective view of a gyro-type wave power generator comprising a control moment gyro, a generator, and a control device according to the present invention.
  • FIG. 1 shows the same wave power generator as a first embodiment.
  • 2 is a perspective view of a floating body used in the wave power generation device
  • FIG. 3 is a control block diagram
  • FIG. 4 is a plan view showing an example of arrangement of a control moment jar opening.
  • reference numeral 1 denotes a floating body.
  • the floating body 1 has a substantially rectangular shape in which left and right floating bodies 1A, 1A are connected by connecting members 1B, 1B as shown in FIG.
  • the troll moment gyre type power generation device is disposed at the center of the bottom surface 2 of the rectangular floating body, and the floating body 1 is fixed to the sea floor with an anchor 13 as appropriate.
  • the floating body 1 does not need to be a square, and may have a shape that does not cause overturning, for example, a hull shape, a circular shape, or a polygonal shape.
  • Gimbal bearing stands 4 and 4 of a control moment gyro 5 are erected on the bottom surface 2 at the center of the floating body 1 so that they can be controlled by the gimbal bearing stands 4 and 4.
  • the gimbal shafts 6a and 6b of the moment gyro 5 are rotatably supported.
  • the gimbal 6 is formed as a cylindrical closed container.In the gimbal 6 forming the closed container, the gimbal axes 6a and 6b and the spin axis 7a are arranged so as to be orthogonal to each other.
  • a flywheel 7 is provided rotatably, and a spin motor 8 is attached to a spin shaft 7 a of the flywheel 7.
  • the spin motor 8 is disposed in the gimbal container (or the outer side surface of the container), and is sealed so that air or the like does not enter the container from this portion.
  • the inside of the sealed container forming the gimbal 6 is connected to a vacuum pump (not shown), and the negative pressure pump reduces the resistance of the flywheel 7 by reducing the gimbal 6 to 0.1 atm or less, thereby reducing windage loss. I try to reduce it.
  • a generator 10 is connected to a shaft 6b on one side of the gimbal 6 via a speed increasing means 9 such as a gear mechanism, and the power is generated by a generator 10 by rotating the gimbal 6. You can do it.
  • the generator 10 is connected to a power converter (not shown) or a battery (not shown) via a rectifier as appropriate regardless of the rotation direction of the gimbal 6.
  • the spin motor 8 and a brush 11 for supplying power to the vacuum pump driving motor are attached to the shaft 6a on the other side of the gimbal 6, and are connected to a power source as appropriate. In some cases, such as in the case of an accident, a brake that appropriately stops the flywheel may be installed as appropriate.
  • the generator 10 is mounted and fixed on a table 12 provided on the bottom surface of the floating body.
  • the basic structure and operation of the control moment gyro are the same as those of the conventional one, and the explanation of their operation principle is omitted.
  • the floating body 1 is provided with control devices 13 for controlling electric power and a generator, and a pump (not shown) and a valve for adjusting the amount of water so that ballast water can be injected into the body 1. (Not shown) is provided so that the natural frequency of the swaying of the floating body can be adjusted to the frequency of the wave by the amount of ballast. Further, the floating body 1 is provided with a swing sensor 14 for detecting the inclination and angular velocity of the floating body 1 and an encoder (gimbal axis direction sensor) 15 for detecting the rotation angle and attitude of the gimbal 6. Are electrically connected to the control device 13 provided in the control unit.
  • Various equipment including the generator attached to the floating body 1 is entirely covered with a cover 16 and the like, and is designed so as not to be exposed to seawater. The operation of the gyro wave power generation device having the above configuration will be described.
  • the gyro type wave power generator is floated on the sea, and the flywheel 7 is rotated at high speed by the spin motor 8.
  • the body 1 swings (tilts) due to the wave motion, this movement is received by the control moment gyro 5 and the gimbal 6 rotates, and the rotation drives the generator 10 via the speed increasing means 9.
  • Power is generated.
  • the generated power is stored in a battery as appropriate, or supplied directly to the factory to operate the factory.
  • the controller uses the signals from the tilt sensor 14 to detect the inclination and angular velocity of the floating body and the encoder (gimbal axis direction sensor) 15 to detect the rotation angle and attitude of the gimbal.
  • the control block shown in Fig. 4 synchronizes the swing of the Juntai and the control moment of the gyro body, and controls the gyro 6 rotation speed on the generator side for the most efficient power generation.
  • ballast water is injected into and drained from the floating body 1 with a pump, and the natural frequency of the shaking of the floating body is adjusted to the frequency of the wave according to the amount of water to increase the power generation efficiency. This method is effective especially in summer and winter because the wave size and frequency are different.
  • the control of the generator or the ballast water is controlled by software installed on a personal computer.
  • the efficiency of the CMG system according to the present invention can be obtained by combining the following three conversion efficiencies.
  • Waves have the characteristic that the frequency decreases when the wave height is high, and the frequency increases when the wave height is low.
  • the output characteristics of the power generator tend to be as shown in Fig. 6, and the CMG method has the characteristic that the output drops little even when the wave height is low, and the output is not too high even when the wave height is high. Obtained and advantageous for operation.
  • the embodiments of the present invention have been described above, but a plurality of sets of control moment gyros can be arranged for one floating body.
  • the wave motion is basically a circular motion, and it is desirable to adjust the gimbal rotation to that motion, and to set the gyro body in the oblique direction with respect to the traveling direction of the wave.
  • a plurality of the above wave power generators are connected in series like a breakwater.
  • the wave breaker that creates a calm sea area can also be configured.
  • the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention can be implemented in any other form without departing from the spirit or main features thereof. Therefore, the above-described embodiment is merely an example in all aspects and should not be interpreted restrictively.
  • the swing of the floating body on the sea is received by the control opening gyro, and the power is efficiently generated by using the energy.
  • the inside of the sealed gimbal constituting the present apparatus negative pressure by a vacuum pump, the resistance of the flywheel in the gimbal can be reduced, and the driving energy of the spin motor can be reduced.
  • the natural frequency of the shaking of the floating body can be adjusted to the frequency of the waves to increase the power generation efficiency.
  • it is possible to obtain excellent effects such as the ability to create a calm sea area by arranging floating floats equipped with the above-described power generating device like a breakwater and forming a calm sea area.

Description

口式波力発電装置およびそれを使用した消波装置
技術分野
本発明は、 コントロール 'モ一メント · ジャイロを構成要素とする波浪エネル ギ一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 ルギ一源であることから、 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— 2 8 0 2 4 0号、 特開平 5 - 1 6 4 0 3 6号等を参照） であり、 小型の淳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 一の 「海明」 「全長 8 0 m、 幅 1 2メ一トル、 8 0 0 トン） 、 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。
し力、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
1 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一メントジャイロで受け止め、 そのエネルギを利用し て発電するジャィ口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、 ジンバル軸に增 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ェンコーダを設け、 これ らの信号を用いて、 淳体の揺れとコントロ一ルモ一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ィ口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卜を入れ、 浮体の固有周波数を変え、 淳体の周波数 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 るようにジャィ口の回転数を制御するようにしたことを特徴とするジャィ口式波 力発電装置である。
また、 前記記載のジャィ口式波力発電装置を水面上に複数台ならベることによ つて構成したことを特徴とする消波装置である。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明に係るコン卜ロールモ一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。 発明を実施するための最良の形態
本発明に係るコン卜ロールモーメン卜ジャイロと発電機と制御装置からなるジ ャィ口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は制御プロック図、 図 4はコントロールモーメントジャィ口の配置例を示す 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 1 A、 1 Aを連結部材 1 B、 1 Bで結合した略四角形をしており、 後述するコン 卜ロームモ一メントジャィ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は適宜アンカ一 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一メントジャイロ 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 6 a、 6 b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 6 a、 6 bとスピン軸 7 a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 7 aにはスピンモ一夕 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 6 bにはギヤ機構等からなる増速手段 9を介して発 電機 1 0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 1 0によつ て発電することができるようになつている。 なお発電機 1 0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 6 a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 1 1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 1 0は浮体の底面上に設けた台 1 2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 1 3が設けられていると ともに、 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、 バラス卜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つている。 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 1 4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） 1 5が設けられ、 こ れらは浮体 1に設けた制御機器 1 3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 1 6などによ つて覆われ、 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。
ジャィ口式波力発電装置を海上に浮かべ、 フライホイ一ル 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。 波の運動によって淳体 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 1 0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、 あるいは直接ァクチユエ 一夕に供給されァクチユエ一夕を作動する。
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摇れセンサ 1 4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） 1 5の信号を用いて、 図 3に示す制御ブロックにより淳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内にボン 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ィ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 7^ = 0. 6〜0. 9
(2) 浮体の運動から CMGの出力軸への変換効率は 2 = 0. 9〜0. 9 5
(3) CMGの出力軸から発電機の電気出力への変換効率は 7?c = 0. 8
〜0. 9 から合成した効率は τ = 0. 4 3〜0. 7 7となる。
—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 り i = 0. 6〜0. 9
( 2 )浮体の運動から水柱の運動への変換効率は c = 0. 8
(3) 水柱の運動から空気の運動への変換効率は ? a = 0. 9〜： 1. 0
(4) 空気の運動からタービンの出力への変換効率は り t = 0. 3〜0. 6 ( ウェールズタービン）
(5) タービン出力から発電機出力への変換効率は c = 0. 8〜0. 9 これらを合成した効率は り τ = 0. 1 0〜0. 3 9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 C M G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、 7? 2 = 0. ' 9〜0. 9 5に対してタ一ビ ン方式では 3段階の変換を経るため、 2 = 0. 2 1 6〜0. 4 8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、 C MG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 ベ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卜口一ルモ一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 ィ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一メントジャイロを複数セッ 卜配 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。

Claims

請求の範囲
1 . 浮体と、 この淳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 のコントロールモ一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徵とする請求項 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ィ口式波力発電装置を水面 上に複数台ならベることによつて構成したことを特徴とする消波装置。
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