WO2005040603A1 - 波力発電装置 - Google Patents

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WO2005040603A1
WO2005040603A1 PCT/JP2004/015149 JP2004015149W WO2005040603A1 WO 2005040603 A1 WO2005040603 A1 WO 2005040603A1 JP 2004015149 W JP2004015149 W JP 2004015149W WO 2005040603 A1 WO2005040603 A1 WO 2005040603A1
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wave
floating body
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elastic member
frequency
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Inventor
Koji Miyajima
Hideki Kitada
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries, Ltd.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/12—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy
    • F03B13/14—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy
    • F03B13/16—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem"
    • F03B13/20—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" wherein both members, i.e. wom and rem are movable relative to the sea bed or shore
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00—Geometry
    • F05B2250/40—Movement of component
    • F05B2250/44—Movement of component one element moving inside another one, e.g. wave-operated member (wom) moving inside another member (rem)
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/10—Purpose of the control system
    • F05B2270/20—Purpose of the control system to optimise the performance of a machine
    • F05B2270/202—Tuning to wave conditions
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the present invention relates to a wave power generation device that converts wave energy of a wavefront into electric energy with high efficiency.
  • the wave power generation system is used as a primary conversion mechanism, 1) a system that converts to air energy, 2) a system that converts to mechanical energy, 3) a potential energy of water or a flow energy.
  • a method that belongs to one of the conversion methods has been attempted by an experimental device.
  • an air turbine type wave power generator has been proposed, and it has been reported that experiments have already been conducted with it installed on a floating structure "Kaimei".
  • the amount of power generation is small because wave energy, which has poor conversion efficiency to electric energy, cannot be fully utilized, and therefore construction costs inevitably increase. If the facility is constructed as a facility, it will be necessary to install the breakwater itself as a safety measure, and the fixed breakwater type will be an offshore work, which will be expensive, and the construction cost will increase further. They may also be damaged by tsunamis and typhoons. Therefore, in the current wave power generation equipment, small power generation equipment is only used as a power source for the sign lights of uninterruptible buoys, and so on.
  • a buoy using such a wave power generator uses a light weight so that the floating body does not sink, and does not use the resonance phenomenon of the weight panel. Since the kinetic energy of the accompanying magnet is small and the electric energy to be converted is also small, wave power generation is not possible.
  • Patent Document 2 discloses a "portable generator” capable of efficiently converting kinetic energy of vibration or swinging when carrying, instead of using wave energy, into electric energy.
  • a power generator is formed by inserting a rod-shaped permanent magnet held by a panel movable in the axial direction into a cylindrical body, winding a cylindrical coil around the outer periphery of the cylindrical body, and forming a power generator.
  • the rectifier rectifies the AC voltage generated in the coil due to the vibration and oscillation of the battery and charges the battery.
  • This generator does not require a cumbersome operation such as a manual rotation operation, and utilizes resonance by adjusting the axial resonance frequency of the permanent magnet to the average period of the main vibration source when carrying.
  • the kinetic energy of vibrations and swings when carrying is efficiently converted to electric energy.
  • the average period of human walking is about 1.9 Hz, but the average period of vibration and rocking when carrying varies depending on the situation when carrying or the person carrying the device, and therefore, the axial direction of the permanent magnet can be changed. It is desirable to provide a means for adjusting the resonance frequency.
  • the portable generator having the above-described configuration is intended to be carried, and therefore has a limited size due to the structure in which the weight of the magnet is lightly placed in a cylindrical coil. Although it is a structure that cannot be reduced, the kinetic energy is small, and the resonance phenomenon of the weight panel is used. However, this power generation method cannot be applied to a power generation method with a large power generation amount.
  • Non-Patent Document 1 Magazine "Current State of Wave Power Generation” (edited by the Promotion Office of the Central Researcher of Electric Power Research) Patent Document 1: JP-A-2-230969 Patent Document 2: JP 2002-374661 A
  • the present invention has been made in consideration of the above problems, and can convert wave energy into electric energy with high efficiency, and can supply large-capacity power generation with a simple configuration and low construction cost at low cost. It is an object to provide a power generator.
  • a heavy object is elastically supported by an elastic member on a floating body floating on a wavefront, and attenuated by the movement of the heavy object between the floating body and the heavy object.
  • a wave power generation device in which a spring constant of an elastic member is set so as to be close to or equal to within a predetermined range of 0, and a resonance phenomenon between the elastic member and a wave is used.
  • the wave power generation device having the above configuration resonates the vibration of the elastic member supporting the heavy object with the vibration of the exciting force of the wave acting on the floating body, and generates a large amount of power generation by utilizing the resonance state. It is intended to be obtained.
  • the vertical vibrating force also acts on the heavy object placed on the floating body, but the heavy object is supported by the elastic member and the vertical It moves up and down in time with the movement.
  • the spring constant of the elastic member is set in advance so that the undamped natural frequency of the elastic member is close to or coincides with the frequency of the wave within a predetermined range of the frequency ratio ⁇ / ⁇ of each other.
  • the vertical movement of the heavy object will fluctuate at the maximum stroke, and the power generation means of the electromagnetic damper using the fluctuation of the position in the linear direction can efficiently obtain the maximum capacity power generation.
  • the frequency of the wave differs depending on the season, date and time, etc., even in the same place, and further differently in different places. Therefore, the spring constant of the elastic member should be adjusted in accordance with the fluctuation of the frequency of the wave.
  • the frequency of a wave that can be used for wave power generation is a short-period gravity wave (0.1-1 second) to a normal gravity wave (113 seconds), and an elastic member suitable for this is an air spring. Is typical, and the unattenuated natural frequency is changed by changing the internal volume using an auxiliary tank. It can be easily adjusted by changing to 0.4-6.
  • the elastic member a coil spring or a leaf spring can be used in addition to the above, and the kind of the spring is not limited.
  • the floating body may be any housing that can float on the wavefront without self-propelling itself. In that case, the floating body is formed so as to be towed by another ship, and the floating body is newly installed or existing ship.
  • the hull may have a self-propelled function, and each member on the hull or on the floating body may be provided on the hull to constitute a wave power generation facility as a whole.
  • the wave power generation device resonates the vibration of the system of the heavy object and the elastic member supporting the heavy object with the vibration of the wave to generate large kinetic energy, and generates electric energy by the power generation means of the electromagnetic damper.
  • large-capacity power generation can be realized at low cost with a simple configuration, and the floating body can be evacuated from tsunamis and typhoons by having a self-propelled function, so it can be used in wide seas where safety is high. Available and there are advantages!
  • FIG. 1 is a main sectional view of a wave power generation device according to an embodiment.
  • FIG. 2 (a) Schematic diagram of the same device, and (b) Vibration model model diagram
  • FIG. 4 is an enlarged sectional view of a main part of a wave power generation device according to a second embodiment.
  • FIG. 5 Schematic diagram of another modified example
  • FIG. 1 is a main cross-sectional view of the wave power generation device according to the embodiment.
  • Reference numeral 1 denotes a floating body, which is configured as a floating body having sufficient buoyancy so that it does not sink even when a power generation device described later is mounted, and may be a hull itself that can move by itself or a hull. It can be used as a floating body as a whole together with the base plate or box fixed on the top or inside the hull! In the illustrated example, only the box-shaped cross section is simply displayed. A room completely enclosed by the enclosures 2 and 2 above the floating body 1
  • a power generation unit is provided therein. However, if it is installed inside the hull, it must be submerged even if it is not completely closed.
  • the power generation unit supports a heavy object (weight) 3 on a floating body 1 with an air spring 4, and a power generation device using an electromagnetic damper as a power generation means 7 between the floating body 1 and the heavy object 3. Is formed.
  • the heavy object 3 is used as a weight in which a plurality of thick plates are stacked and integrally formed.
  • a roller 12 is provided on the side of the heavy object 3 to guide the movement of the wavefront up and down along the vertical wall surface while being supported by an air spring.
  • the air spring 4 is provided to support the heavy object 3 at a plurality of locations (four locations in the illustrated example).
  • the air spring 4 changes the undamped natural frequency ⁇ by changing the internal air capacity, and is an example of an elastic member excellent in resonating with the wave frequency.
  • the diaphragm 5 is sealed between the piston 6 and the chamber 6b in the piston 6 and the chamber la in the floating body 1 are used as auxiliary tanks, and the on-off (control) valve 6a is opened and closed.
  • the air capacity inside the air spring is changed.
  • the lower surface is provided with a stopper 11 for limiting the lift of the heavy object 3 to a certain range.
  • the power generation means 7 includes a plurality of pairs of permanent magnets provided in the frame or surrounding wall 7a such that the permanent magnets 8 are arranged so that the different polarity portions N and S face each other in the horizontal direction.
  • the magnetic poles of the matching permanent magnet pairs are provided to be alternately reversed, and coils 9 are provided between the permanent magnets 8 of each pair at intervals corresponding to the respective permanent magnet pairs.
  • the radial gap between the coil 9 and the permanent magnet 8 is set to a predetermined gap amount, and is provided below the intermediate height position of the plurality of cores and the rod 7b.
  • the coils 9 are connected to each other in series or in parallel and lead to the outside.
  • the vertical vibration of the floating body 1 due to the wave force is transmitted to the heavy object 3 via the air spring 4, and the internal air capacity of the air spring is adjusted in advance to prevent the vibration. Damping The natural frequency ⁇ vibrates the heavy object 3 in resonance with the frequency of the wave.
  • the power generation is performed so that the power generation capacity of the power generation means 7 linked to the heavy object 3 is maximized with the expansion and contraction displacement of 4 being the maximum.
  • the frequency of a wave suitable for wave power generation is generally a short-period gravity wave (0.1-1 second) or an ordinary gravity wave (also simply called a gravity wave) (1-30 seconds).
  • the above air spring can fluctuate to 0.4-6.0 Hz, and the frequency of each wave is measured by installing a separate vibration sensor.
  • the permanent magnet 8 has a frame 7a surrounding it as a yoke, and forms a magnetic circuit through the yoke.
  • the coil 9 is slid in the yoke to cut the magnetic circuit in the vertical direction, thereby causing the permanent magnet 8 to be turned on. It produces power e.
  • (a) is a simplified schematic diagram of the above wave power generator, and (b) is a diagram modeled as a vibration model.
  • the mass of the heavy object 3 is m
  • the spring constant of the air spring 4 is k
  • the damping force generated by the electromotive force e of the power generation means 7 of the electromagnetic damper is c
  • the vertical displacement of the floating body 1 is x
  • the weight is The vertical change of the object 3 is set to y. It is assumed that the spring constant k of the air spring is set in advance so as to resonate with the above-described wave frequency (0.4 to 6 Hz).
  • the heavy object 3 supported by the spring system vibrates via a large expansion and contraction movement of the air spring in response to the movement of the floating body which moves up and down by the wave motion.
  • the equation of motion of the heavy object 3 in the vertical direction is expressed by the following equation.
  • FIG. 3 shows the relationship between zZx and the frequency ratio ⁇ when the above-mentioned damping ratio ⁇ is changed.
  • the frequency ratio ⁇ 1, that is, the forced frequency ⁇
  • ⁇ is within the range of 0.1 ⁇ ⁇ ⁇ 2.
  • the spring constant of the elastic member can be determined so as to be close to 0 0 ⁇ .
  • L the coil length of the power generation means 7 of the electromagnetic damper
  • B the magnetic flux density across the coil
  • V the relative velocity between the coil and the magnetic flux.
  • a power supply line is connected to the power generation means 7 of the force electromagnetic damper (not shown) so as to supply power to the storage battery and the power grid via a voltage regulator and a backflow prevention device.
  • the storage battery may be configured to be used as a part of a heavy load.
  • the wave power generator may be provided with a self-propelled function, or the ship may be a floating body. By moving the floating body in the horizontal direction, the forced frequency ⁇ of the wave acting on the floating body can be changed, and the self-running speed is adjusted to resonate with the unattenuated natural frequency ⁇ to obtain a large amount of power generation.
  • the damping ratio ⁇ 0.39
  • the amplitude ratio zZx l. 25
  • the vertical displacement of the floating body x 0.4 m
  • the expansion and contraction amount of the air spring z 0.5 m
  • the average relative speed V 1.
  • the power generating means 7 of the electromagnetic damper may have a structure in which a magnet part and a coil part are separated and move relative to each other.
  • the cross section of the main part of the power generator is shown.
  • the power generation means 7 has a column-shaped center core 7c provided integrally with the peripheral wall 7a at the center of the frame or the peripheral wall 7a.
  • a ring-shaped coil 9 is provided so as to be movable up and down. The coil 9 is connected to the lower end of the fork-shaped support member 7b ', and the upper end of the support member 7b' is fixed to the lower end of the heavy object (weight) 3.
  • the legs of the support member 7b ′ are guided in the vertical direction in the guide holes 7 inserted when the heavy object 3 moves up and down as the heavy object 3 moves up and down.
  • the enclosure 2, the floating body 1, and the floating body 1 are the same members as those in the first embodiment, their illustration and description are omitted.
  • This embodiment is also shown in FIG. 2 when represented in a schematic diagram as a vibration model. Further, the specific example of the wave power generation device shown in the numerical example can be similarly applied to the wave power generation device of the second embodiment.
  • FIG. Fig. 5 (a) shows an example in which two sets of electromagnetic dampers and elastic members are provided above and below the heavy object 3
  • Fig. 5 (b) shows two sets of electromagnetic dampers up and down and two elastic members in the horizontal direction. This is an example in which a set is provided.
  • FIG. (C) shows an example in which four sets of electromagnetic dampers and elastic members are provided vertically and horizontally, respectively, and the floating body 1 is provided on the surrounding wall at an intermediate position in the depth direction or in the vicinity thereof.
  • the maintenance that is unlikely to cause a failure because the power generation means 7 is not in contact is only required to replace the diaphragm 5 of the air spring 4. Maintenance costs are very low.
  • the wave power generation device of the present invention can be used not only as a small power generation device of an uninterruptible buoy, but also as a large-capacity power generation device, or for power supply to islands, marine leisure equipment, facilities where power supply is difficult, and small It can be widely used as a power generator for various purposes such as power generation for lifeboats.

Abstract

　波エネルギを高効率に電気エネルギに変換でき、簡易な構成で建設コストが小さく、大容量の発電を低コストで供給できる波力発電装置を得ることを課題とする。 　波力発電装置は、浮動体１上の囲壁２内に重量物３を弾性部材の空気ばね４で弾性支持し、重量物３と浮動体１間に電磁ダンパーの発電手段７を設けて構成されている。空気ばね４のばね定数は、波の振動数に空気ばねの不減衰固有振動数が互いの振動数比ω／ω0 の所定範囲内で近くなる又は一致するように予めピストン６内と浮動体１内に設けた補助タンクにより調整し、ばね系の振動を波に共振させて発電手段７の相対移動を最大とし、発電効率を最大限に向上させて発電ができる。

Description

技術分野
[0001] この発明は、波面の波エネルギを高効率に電気工ネルギに変換する波力発電装 置に関する。
背景技術
[0002] 波エネルギを利用して発電する波力発電の研究が種々行なわれて!/ヽるが、非特許 明
文献 1によれば、波力発電方式は一次変換の機構として、 1)空気エネルギに変換す る方式、 2)機械的なエネルギに変換す田る方式、 3)水の位置エネルギ又は水流エネ ルギに変換する方式のいずれかに属するものが実験装置により試みられている。上 記 1)の空気エネルギに変換する方式の一例として空気タービン式波力発電装置が 提案され、既に浮体構造物「海明」に設置して実験が行なわれたことが報告されてい る。
[0003] この装置の原理的な構成は、一定断面積の空気室を所定深さ分海面下に沈め、 波に伴う海面の上下運動によって空気室内に生じる空気流れで空気タービンを回転 させ、連動する発電機により電力を取出すように構成されている。この他にも種々の 実験装置が試作され、各種実験が行なわれているが、現状のこれら波力発電装置は 、発電量が 30— 350KWと小さぐ規模の割りには建設コストが高いと指摘されている
[0004] 発電量が小さいのは、電気工ネルギへの変換効率が悪ぐ波力エネルギを十分に 活用できていないからであり、従って必然的に建設コストが高くなるが、仮りに大型発 電設備として建設した場合、安全対策として防波堤自体の設置が必要となり、防波堤 固定型は海洋工事となり割高であって、益々建設コストが高くなる。又、津波、台風の 影響で破損する場合もある。従って、現状の波力発電装置は、無停電ブイの標識灯 用の電源として小発電装置が利用されて 、るに過ぎな、、。
[0005] このような波力発電による小発電装置の一例として、特許文献 1による「波力発電方 法と波力発電ブイ」が公知である。この公報による波力発電方法は、波面に浮遊して いる浮動体の内部に固定したスプリング手段力 紐体を海水中に下ろしてその下端 に重りを付け、波面の上下動によって浮動体と海水中の重りとの相対的な移動により 紐体に係合された発電手段を駆動し、電気工ネルギを得るというものである。この波 力発電方法を適用した波力発電ブイは、浮動体に設けた筒体の頂上部の発光源に 上記発電方法で得た電力を供給するように構成されて ヽる。
[0006] しかし、このような波力発電装置を用いたブイでは、浮動体が沈まないように軽い重 りが用いられ、かつ重り パネの共振現象を利用していないため、波の上下運動に伴 う磁石の運動エネルギが小さぐ従って変換される電気工ネルギも小さぐ波力発電 ブイ程度の小規模発電にし力利用できな 、。
[0007] 一方、波力エネルギの利用ではなぐ携帯時の振動や揺動の運動エネルギを効率 よく電気工ネルギに変換し得る「携帯型発電機」が特許文献 2により公知である。この 携帯型発電機は、円筒体内に軸方向へ移動可能なパネで保持された棒状の永久磁 石を挿入し、円筒体外周に筒状のコイルを卷付けて発電部を形成し、携帯時の振動 や揺動でコイルに発生した交流電圧を整流器で整流してバッテリに充電すると ヽぅも のである。
[0008] この発電機は、手動回転操作などの煩わしい操作を必要とせず、永久磁石の軸方 向の共振振動数を携帯時の主要な振動源の平均周期に合わせることにより共振を 利用して携帯時の振動や揺動の運動エネルギを効率よく電気工ネルギに変換するよ うにしている。この場合、人の歩行時の平均周期は 1. 9Hz程度であるが、携帯時の 状況あるいは携帯者によっても携帯時の振動や揺動の平均周期は変化し、従って永 久磁石の軸方向の共振振動数を調整する手段を備えるのが望ましい。
[0009] しかし、上記構成の携帯型発電機は、携帯を目的としているため、重りとしての磁石 の重量が軽ぐ円筒コイルの中に入れた構造のため大きさに制限があり、磁石を大き くすることができない構造であって、運動エネルギが小さぐ重り パネの共振現象を 利用して 、るが、この発電方式を大きな発電量の発電方式に適用することはできな い。
非特許文献 1：雑誌「波力発電の現状」 ( (財)電力中央研究所有識者会議推進室編） 特許文献 1：特開平 2 - 230969号公報 特許文献 2 :特開 2002— 374661号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] この発明は、上記の問題点に留意して、波エネルギを高効率に電気工ネルギに変 換でき、簡易な構成で建設コストが小さぐ大容量の発電を低コストで供給できる波力 発電装置を提供することを課題とする。
課題を解決するための手段
[0011] この発明は、上記の課題を解決する手段として、波面に浮かべた浮動体上に重量 物を弾性部材で弹性的に支持し、浮動体と重量物間に重量物の移動に対し減衰力 を生じさせ、かつその移動エネルギを電気工ネルギに変換する発電手段を設け、弹 性部材の不減衰固有振動数が浮動体を加振する波の振動数と互 、の振動数比 ω / ω
0の所定範囲内で近くなる又は一致するように弾性部材のばね定数を設定し、 弾性部材と波との共振現象を利用するようにした波力発電装置である。
[0012] 上記構成の波力発電装置は、浮動体に作用する波の加振力の振動に重量物を支 持する弾性部材の振動を共振させ、この共振状態を利用して大きな発電量を得るよ うにしたものである。浮動体が波により上下動して振動すると、浮動体上に設置され ている重量物にも上下動の加振力が作用するが、重量物は弾性部材に支持されて いるため浮動体の上下動とは時間的にずれて上下動する。
[0013] 従って、予め弾性部材の不減衰固有振動数が波の振動数に互 、の振動数比 ω / ω の所定範囲内で近くなる又は一致するように弾性部材のばね定数を設定してお
0
けば、この重量物の上下動が最大ストロークで変動することとなり、直線方向の位置 の変動を利用した電磁ダンパーの発電手段では最大容量の発電を効率よく得ること ができる。この場合、波の振動数は、同じ場所でも季節、日時等によって異なり、又場 所が異なればさらに大きく異なる。従って、弾性部材のばね定数は波の振動数が変 動するのに合わせて調整できるようにするのがよ 、。
[0014] 波力発電に利用できる波の振動数は、短周期重力波（0. 1— 1秒)一普通重力波（ 1一 30秒)とされ、これに適合する弾性部材としては空気ばねが代表的であり、補助 タンクを利用して内容積を変化させることによりその不減衰固有振動数を波の振動数 に近い 0. 4-6. 0Hzまで簡単に変化させて調整できる。弾性部材は、この他にもコ ィルばね、板ばねを利用することもでき、ばねの種類は問わない。
[0015] 浮動体は、それ自体が自走しなくても波面に浮動できる筐体であればよいが、その 場合は他の船により曳航可能に形成し、又浮動体を新設又は既存の船舶の船体とし て自走機能を持たせ、この船体上又は船体内に浮動体上の各部材を設け、全体とし て波力発電設備を構成してもよ ヽ。
発明の効果
[0016] この発明の波力発電装置は、重量物とこれを支持する弾性部材の系の振動を波の 振動に共振させて大きな運動エネルギを生じさせ、電磁ダンパーの発電手段により 電気工ネルギを得るようにしたから、簡単な構成で大容量の発電量を低コストで実現 でき、浮動体に自走機能を持たせることにより津波、台風から避難できるため、安全 性が高ぐ広 ヽ海域で利用できると!ヽぅ利点がある。
図面の簡単な説明
[0017] [図 1]実施形態の波力発電装置の主要断面図
[図 2]同上装置の（a)模式図、及び (b)振動モデルィ匕したモデル図
[図 3]振動数比 ω Ζ ω
0と zZxとの関係を表す図
[図 4]第 2実施形態の波力発電装置の要部拡大断面図
[図 5]他の変形例の模式図
符号の説明
[0018] 1 浮動体
2 囲壁
3 重量物
4 空気ばね
5 ダイヤフラム
6 ピストン
7 発電手段
8 永久磁石
9 コイル 発明を実施するための最良の形態
[0019] 以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図 1は実施形態 の波力発電装置の主要断面図である。 1は浮動体であり、後述する発電装置を搭載 しても沈まない程の十分な浮力を有する浮体として構成されるものであり、自走して 移動し得る船体そのものとしてもよいし、あるいは船体上、又は船体内に固定設置し た台板又は箱体と共に全体で浮体としてもよ!、。図示の例では箱形状の断面のみを 簡略表示している。上記浮動体 1上には囲壁 2 、 2で完全密閉状に囲まれた部屋
H
内に発電ユニットが設けられている。但し、船体内に設ける場合は、必ずしも完全密 閉状でなくても浸水しなければょ 、。
[0020] 発電ユニットは、図示のように、浮動体 1上に重量物（重り） 3を空気ばね 4で支持し 、浮動体 1と重量物 3の間に発電手段 7として電磁ダンパーによる発電装置を設けて 形成されている。重量物 3は、厚板を複数枚重ねて一体ィ匕された重りとして用いる。こ の重量物 3の側方には空気ばねで支持された状態で波面の上下動による移動を垂 直壁面に沿って案内するローラ 12が適宜設けられる。
[0021] 空気ばね 4は、複数箇所（図示の例では 4箇所)で重量物 3を支持するように設けら れている。空気ばね 4は、内部の空気容量を変化させることにより不減衰固有振動数 ω を可変とするものであり、波の振動数と共振させるのに優れた弾性部材の一例と
0
して採用している。この空気ばね 4では、ダイヤフラム 5をピストン 6との間に封止し、ピ ストン 6内の室 6bと浮動体 1内の室 laを補助タンクとし、開閉（制御）弁 6aを開閉する ことにより空気ばね内部の空気容量を変化させるようにして 、る。
[0022] 但し、ピストン 6内に補助タンクを設け、補助タンクを細部に仕切る、あるいは外部設 置タンクに接続するなど空気容量の変化を連続的に又は段階的に大きく変化させる 種々の方式が存在するから、そのいずれを採用してもよい。なお、水平な囲壁 2 の
H
下面には重量物 3の上昇を一定範囲に制限するストッパ 11が設けられて 、る。
[0023] 発電手段 7は、フレーム又は囲壁 7a内に永久磁石 8を互いに水平方向に異極性部 分 Nと Sを対向するように設けた永久磁石対の複数対を垂直方向に、かつ互いに隣り 合う永久磁石対の磁極向きを交互に反転するように設け、各対の永久磁石 8の間に コイル 9をそれぞれの永久磁石対に対応する間隔で設けて形成されて ヽる。そして、 コイル 9と永久磁石 8との半径方向隙間は所定ギャップ量に設定され、複数箇所コア 一ロッド 7bの中間高さ位置より下方に亘つて設けられている。各コイル 9は互いに直 列又は並列にその導線を接続して外部へ導出されている。
[0024] 上記の構成とした波力発電装置では、波力による浮動体 1の上下振動を空気ばね 4を介して重量物 3に伝達し、空気ばねの内部空気容量を予め調整してその不減衰 固有振動数 ω が波の振動数と共振状態で重量物 3を振動させることにより空気ばね
0
4の伸縮変位を最大として、重量物 3に連動する発電手段 7の発電容量が最大となる ように発電が行なわれる。
[0025] この場合、一般に波力発電に適合する波の振動数は、短周期重力波 (0. 1— 1秒） 一普通重力波（単に重力波とも言う）（1一 30秒）とされ、上記空気ばねは 0. 4-6. 0 Hzに変動可能であり、それぞれの波の振動数は別途振動センサを設けて測定し、 測定された波の振動数に ω
0の値が近くなる又は一致するように開閉弁にて空気の 内容量を調整する。永久磁石 8は、これを囲むフレーム 7aをヨークとし、このヨークを 介して磁気回路を構成しており、その中でコイル 9を摺動させて磁気回路を垂直方向 に切ることによりコイル 9に起電力 eを生じさせるのである。
[0026] 上記の波力発電装置による発電の原理は、以下の論理に基づくものである。図 2の
(a)図に上記波力発電装置を簡略化した模式図、（b)図に振動モデルとしてモデル 化した図を示す。図において、重量物 3の質量を m、空気ばね 4のばね定数を k、電 磁ダンバーの発電手段 7の起電力 eによって発生する減衰力を c、浮動体 1の上下変 位を x、重量物 3の上下変化^ yとする。空気ばねのばね定数 kは、上述した波の振 動数 (0. 4— 6Hz)に共振するように予め設定されているものとする。
[0027] 上記ばね系で支持されている重量物 3は、波動により上下動する浮動体の動きに 対応して空気ばねの大きな伸縮運動を介して振動する。この重量物 3の上下方向の 運動方程式は次式で表される。
my =— k (y— x — c (y x ノ · · · 、丄)
上式中の"、 'は 2階微分、 1階微分を表す。
[0028] ここで、浮動体 1と重量物 3との間の伸縮量を zとすると、 z=y Xであり、浮動体 1の 波力力も受ける振動を上下変位で x=Xsin co tと仮定する。 y=z+xであるから、 y" = z"+x" = z"— co2Xsincotとなり、従って（1)式は次のように変形できる。
mz，， + cz， +kz=m o2Xsin ot ··· (2)
さらに、不減衰固有振動数 ω =(kZm)1/2、減衰比 ζ =cZ(2mco )
0 0
とすると、 zZxは次のようになる。
)2}
Figure imgf000009_0001
··· (3)
[0029] 上記減衰比 ζを変化させた時の zZxと振動数比 ωΖω の関係を図 3に示す。図
0
3から分力るように、振動数比 ωΖω =1、つまり波力の強制振動数 ωと不減衰固有
0
振動数 ω が等しくなる状態 (共振状態)で伸縮変位 zが最大となる。なお、上記振動
0
数比 ωΖω は 1となるのが望ましいが、実際には 0. 1≤ ωΖω ≤2の範囲で ωが
0 0 ω に近くなるように弾性部材のばね定数を定めることができるようにするのが好まし
0
い。
[0030] 起電力 eは、電磁ダンパーの発電手段 7のコイル長さを Lとし、コイルを横切る磁束 密度を B、コイルと磁束間の相対速度を Vとすると、 e = BLvで表されるから、伸縮変 位 zが最大となる共振時に相対速度 Vが最大となり、最大の起電力 emaxを得ることが できる（v=z')。又、減衰力 cはコイルの電流を Iとすると、 c = BILで表される。従って 、起電力 eを大きくするため、コイル長さ L又は磁束密度 Bを大きくすると減衰力 cが大 きくなるが、それに伴って減衰比 ζが大きくなるため zZxが小さくなり、相対速度 Vが 小さくなるという関係がある。つまり、減衰比 ζがあまり大きくならないように減衰力じと 質量 mのノランスを適宜設定する必要がある。
[0031] なお、図示省略している力 電磁ダンパーの発電手段 7には電圧調整器、逆流防 止装置を経由して蓄電池、及び電力網へ電力を供給するように給電ラインが接続さ れている。又蓄電池を重量物の一部として利用するように構成してもよい。さらに、上 記波力発電装置に自走機能を設けること又は船舶を浮動体とすることもできる。浮動 体が水平方向に動くことで浮動体に作用する波の強制振動数 ωを変化させることが でき、不減衰固有振動数 ω と共振するように自走速度を調整し、大きな発電量を得
0
ることも可能となる。船舶は新設又は既存のもののいずれでも利用できる。既存の船 舶を浮動体とすれば、低コストィ匕が可能となる。 [0032] 上記実施形態の波力発電装置の一例として、重量物 = 200kg (質量 20. 4kg/ ( mZs2 ) )、空気ばねの全体のばね定数を 7899NZm、コイル長さ LlOOOmで抵抗 R= 10 Q、永久磁石による磁束密度 Bを 0. 1Tとする発電ユニットを浮動体に設けて 波力発電装置を構成した。上記浮動体に 1Hzの波力を作用させると、減衰力 1000 Nが発生する。この場合、減衰比 ζ =0. 39、振幅比 zZx= l. 25となり、浮動体の 上下変位 x=0. 4m、空気ばねの伸縮量 z = 0. 5m、平均相対速度 V = 1. Om/s
AV
の条件下では起電力 e = BLv=0. 1TX lOOOmX lm/s = 100V,電流 10Aが発 生し、電力 1KWが得られる（I X V = 10AX 100V= 1000W)。
[0033] なお、上記電磁ダンパーの発電手段 7は磁石部とコイル部が分離して構成され、相 対的に移動する構造であればよぐ図 4に他の例として第 2実施形態の波力発電装 置の要部断面を示す。この例では、発電手段 7はフレーム又は周壁 7aの中心に柱状 のセンタコア 7cが周壁 7aと一体に設けられ、周壁 7aの内面に沿ってリング状の永久 磁石 8を取付け、センタコア 7cに遊嵌状に、昇降自在に配設されたリング状のコイル 9を備えている。コイル 9はフォーク状の支持部材 7b'の下端に連結され、支持部材 7 b'の上端は重量物（重り） 3の下端に固定されて 、る。
[0034] 又、支持部材 7b'の脚部は重量物 3の昇降動に伴って上下動する際に挿入されて いる案内孔 7 内で上下方向に案内されている。上記以外の空気ばね 4や重量物 3
H
、囲壁 2、浮動体 1については第 1実施形態と同じ部材であるから図示、説明を省略 する。この実施形態も、振動モデルとして模式図で表すと図 2に示す通りである。又、 数値例で示した波力発電装置の具体例を第 2実施形態の波力発電装置に対しても 同様に適用できる。
[0035] さらに、上記各波力発電装置に対し電磁ダンバの発電手段 7、弾性部材の空気ば ね 4を複数組設けることもでき、その模式図を図 5に示す。図 5の（a)図は、電磁ダン ノ^弾性部材を重量物 3の上、下に 2組設けた例、（b)図は電磁ダンパを上下に 2組 、弾性部材を水平方向に 2組設けた例である。又、（c)図は電磁ダンバ、弾性部材を それぞれ上下、左右に 4組ずつ設け、囲壁に対し浮動体 1をその深さ方向の中間位 置又はその付近に設けた例を示す。
[0036] 以上のような発電装置の各例に対し、大型タンカーのサイズの浮動体に 10万トンの 重量物を支持したとすると、重量比で発電量が増えるため、その 50万倍即ち 50万 K Wの発電が可能となる。但し、全体重量が重くなると浮動体の振幅が小さくなり、平均 相対速度 V力 S小さくなることがあるため、その場合は上記浮動体上の発電ユニットを 複数組設置し、各々の上下運動に相互干渉しな ヽように組合せて使用するとよ ヽ。
[0037] 上記各実施形態の波力発電装置によれば、発電手段 7が非接触なため故障が起 き難ぐメンテナンスとしては空気ばね 4のダイヤフラム 5を交換するだけで良いため、 発電装置の維持管理費が非常に安価となる。又、囲壁 2により内部を密閉構造とする ことにより津波、台風に対する装置内部への影響を少なくすることができるという利点 ¾ある。
産業上の利用可能性
[0038] この発明の波力発電装置は、無停電ブイの小発電装置は勿論、大容量の発電装 置として、あるいは電力供給が難しい島、海上レジャー機器、施設への電力供給、及 び小型化により救命ボートの発電用など広く発電装置として各種の用途に利用でき る。

Claims

請求の範囲
[1] 波面に浮かべた浮動体上に重量物を弾性部材で弹性的に支持し、浮動体と重量 物間に重量物の移動に対し減衰力を生じさせ、かつその移動エネルギを電気工ネル ギに変換する発電手段を設け、弾性部材の不減衰固有振動数が浮動体を加振する 波の振動数と互 、の振動数比 ω Ζ ω
0の所定範囲内で近くなるように弾性部材のば ね定数を設定し、弾性部材と波との共振現象を利用するようにした波力発電装置。
[2] 波面に浮かべた浮動体上に重量物を弾性部材で弹性的に支持し、浮動体と重量 物間に重量物の移動に対し減衰力を生じさせ、かつその移動エネルギを電気工ネル ギに変換する発電手段を設け、弾性部材の不減衰固有振動数が浮動体を加振する 波の振動数となるように弾性部材のばね定数を設定し、弾性部材と波との共振現象 を利用するようにした波力発電装置。
[3] 前記弾性部材のばね定数を可変とし、波の振動数の変化に対応して弾性部材の 不減衰固有振動数を調整自在としたことを特徴とする請求項 1又は 2に記載の波力
[4] 前記弾性部材を空気ばねとし、この空気ばねに補助タンクを接続して空気ばねの 内容積を変化させることができるように構成し、これにより上記不減衰固有振動数を 波の振動数の変化に対応して調整自在としたことを特徴とする請求項 1乃至 3のいず れかに記載の波力発電装置。
[5] 前記発電手段を電磁ダンパーとしたことを特徴とする請求項 1乃至 4のいずれかに 記載の波力発電装置。
[6] 前記浮動体に自走機能を設けること又は船舶を前記浮動体とすることを特徴とする 請求項 1乃至 5のいずれかに記載の波力発電装置。
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