TOP > 国内特許検索 > 波力発電システム及び波力発電プラント > 明細書

明細書 :波力発電システム及び波力発電プラント

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4821008号 (P4821008)
公開番号 特開2008-231967 (P2008-231967A)
登録日 平成23年9月16日(2011.9.16)
発行日 平成23年11月24日(2011.11.24)
公開日 平成20年10月2日(2008.10.2)
発明の名称または考案の名称 波力発電システム及び波力発電プラント
国際特許分類 F03B  13/16        (2006.01)
FI F03B 13/16
請求項の数または発明の数 5
全頁数 10
出願番号 特願2007-070054 (P2007-070054)
出願日 平成19年3月19日(2007.3.19)
審査請求日 平成21年7月21日(2009.7.21)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504150450
【氏名又は名称】国立大学法人神戸大学
発明者または考案者 【氏名】神吉 博
個別代理人の代理人 【識別番号】100089196、【弁理士】、【氏名又は名称】梶 良之
【識別番号】100104226、【弁理士】、【氏名又は名称】須原 誠
審査官 【審査官】大谷 謙仁
参考文献・文献 国際公開第02/077369(WO,A1)
特開2005-207332(JP,A)
特開平05-133436(JP,A)
調査した分野 F03B 13/16
特許請求の範囲 【請求項1】
浮体と、該浮体に支持されたジャイロと、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機とを備え、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、前記発電機を駆動して発電を行うようにしたジャイロ式波力発電装置を1つ以上有している波力発電システムであって、
前記浮体が、縦横の長さが異なる矩形環状部材であり、
前記矩形環状部材が短手方向に揺動した際、前記ジャイロ式波力発電装置が、最大発電効率を発揮できうるものであり、
前記ジャイロ式波力発電装置の直下に位置するとともに、前記揺動の方向に対して垂直に対向する前記矩形環状部材における各短辺の中央部から吊り下げられたアンカーがさらに設けられていることを特徴とする波力発電システム。
【請求項2】
前記ジャイロ式波力発電装置が、前記浮体の短手方向に並列され且つ中心に対して点対称の位置に配設された少なくとも1対の前記ジャイロを有しており、
前記1対のジャイロの回転方向が、お互いに逆となっていることを特徴とする請求項1記載の波力発電システム。
【請求項3】
前記ジャイロ式波力発電装置と前記浮体との間に、前記ジャイロ式波力発電装置を昇降させることができる昇降機が設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の波力発電システム。
【請求項4】
重りを有するとともに前記重りを昇降させることができる昇降機が、前記ジャイロ式波力発電装置の上に設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の波力発電システム。
【請求項5】
請求項1~4に記載の波力発電システムを水上に1列に並べたものを複数列配設したものであり、
隣り合う前記波力発電システムのそれぞれのジャイロ式波力発電装置が、波浪の進行方向に対して重複しないように且つ密に配設されていることを特徴とする波力発電プラント。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、波浪のエネルギーを利用して電力を得ることができる波力発電システム及び波力発電プラントに関するものである。
【背景技術】
【0002】
本発明者は、すでに下記特許文献1、2において、ジャイロ式波力発電装置を開示している。
【0003】
具体的には、特許文献1、2のものは、浮体と、該浮体に支持されたジャイロと、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機とを備え、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、発電機を駆動して発電を行うようにしたジャイロ式波力発電装置であり、特に特許文献1においては、前記浮体をドーナツ状に形成するとともに、その内筒部内に少なくとも1個の鉛直なジンバル軸を有するジャイロを配設したことを特徴とするジャイロ式波力発電装置である。
【0004】

【特許文献1】特開2005-207332号公報
【特許文献2】国際公開番号WO02/077369号A1
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記特許文献1、2のジャイロ式波力発電装置は、単に波のある水上に設置しただけでも発電することはできるが、さらなる発電効率の向上が望まれている。
【0006】
そこで、本発明の目的は、従来よりも発電効率を向上できる波力発電システム及び波力発電プラントを提供することである。
【課題を解決するための手段及び効果】
【0007】
(1) 本発明は、浮体と、該浮体に支持されたジャイロと、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機とを備え、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、前記発電機を駆動して発電を行うようにしたジャイロ式波力発電装置を1つ以上有している波力発電システムであって、前記浮体が、縦横の長さが異なる矩形環状部材であり、前記矩形環状部材が短手方向に揺動した際、前記ジャイロ式波力発電装置が、最大発電効率を発揮できうるものであり、前記ジャイロ式波力発電装置の直下に位置するとともに、前記揺動の方向に対して垂直に対向する前記矩形環状部材における各短辺の中央部から吊り下げられたアンカーがさらに設けられているものである。なお、矩形環状部材の縦横比は1.2以上であることが好ましい。この比が1.0に近いと方向が定まらなくなるからである。
【符号の説明】
【0008】
上記(1)の構成により、波浪のある水上に浮かべた際、浮体である矩形環状部材の短手方向又は長手方向が、自然に波の進行方向に対して平行になる。したがって、波の進行方向が変化しても、ジャイロ式波力発電装置の発電効率が最大となるような向きに修正又は保持できる。また、上述した重りによって、波浪による望ましい浮体の揺れを得ることができる。
【0009】
(2) 上記(1)の波力発電システムにおいては、前記ジャイロ式波力発電装置が、前記浮体の短手方向に並列され且つ中心に対して点対称の位置に配設された少なくとも1対の前記ジャイロを有しており、前記1対のジャイロの回転方向が、お互いに逆となっていることが好ましい。
【0010】
上記(2)の構成により、ジャイロの余剰モーメント(不安定な方向のジャイロモーメント)を打ち消すことができる。したがって、ジャイロ式波力発電装置の不要な運動やエネルギー損失を防止できる。
【0011】
(3) 上記(1)又は(2)の波力発電システムにおいては、前記ジャイロ式波力発電装置と前記浮体との間に、前記ジャイロ式波力発電装置を昇降させることができる昇降機が設けられていることが好ましい。
【0012】
上記(3)の構成により、昇降機によってジャイロ式波力発電装置を所定位置まで上昇させた際に、波力発電システム自体の重心を所望する位置にできるので、水面上における浮体の揺れの固有振動数を発電に適したものに(例えば、共振させるように)調整できる。また、悪天候の際や、メンテナンスの際など発電の必要がないときには折り畳んでおくことができるので、故障の防止や安全性の確保が可能となる。
【0013】
(4) また、別の観点として、上記(1)又は(2)の波力発電システムにおいては、重りを有するとともに前記重りを昇降させることができる昇降機が、前記ジャイロ式波力発電装置の上に設けられているものであってもよい。
【0014】
上記(4)の構成により、昇降機によって重りを所定位置まで上昇させた際に、波力発電システム自体の重心を所望する位置にできるので、水面上における浮体の揺れの固有振動数を発電に適したものに調整できる。また、悪天候の際や、メンテナンスの際など発電の必要がないときには折り畳んでおくことができるので、故障の防止や安全性の確保が可能となる。
【0015】
(5) 本発明の波力発電プラントは、上記(1)~(3)のいずれか1つに記載の波力発電システムを水上に1列に並べたものを複数列配設したものであり、隣り合う前記波力発電システムのそれぞれのジャイロ式波力発電装置が、波浪の進行方向に対して重複しないように且つ密に配設されているものである。
【0016】
上記(5)の構成により、所定範囲における波浪のエネルギーを最大限利用できるので、従来よりも効率よく且つ経済的に発電を行うことができる波力発電プラントを提供できる。また、効率よく、所定範囲における波浪のエネルギーを吸収するので、より広い範囲において波浪を消波できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
<第1実施形態>
以下に、本発明の第1実施形態に係る波力発電システムについて説明する。図1は本発明の第1実施形態に係る波力発電システムの概略構成を示す斜視図である。図2(a)は、図1の波力発電システムに用いられているジャイロ式波力発電装置の全体断面図、図2(b)は、図2(a)におけるジャイロが回転した際のフライホイールを断面で示したジャイロ式波力発電装置の全体断面図である。
【0018】
図1に示すように、波力発電システム100は、ジャイロ式波力発電装置1と、縦横の長さが異なる矩形環状の浮体2と、浮体2の各短辺の略中央部に設けられているフランジ3、4と、フランジ3、4に一端がそれぞれ取り付けられ、他端にアンカー5が吊設されている鎖6とを有している。
【0019】
ジャイロ式波力発電装置1は、本体7と、本体7内において並設されているジャイロ8、9と、このジャイロ8、9で発生したエネルギーを、ジンバル軸14、15及びギア10、11、12を介して受け取って発電する発電機13とを有している。なお、ジャイロ式波力発電装置1は、浮体2の各長辺の略中央部間に架設されている。
【0020】
ジャイロ8は、図2(a)に示すように、フライホイール8aとスピンモータ8bとを有しており、ジンバル軸14で回転自在に支持されている。ジンバル軸14の一端側はジンバル軸受台16に軸支され、ジンバル軸14の他端側はジンバル軸受台17に軸支されている。また、図2(b)に示すように、ジャイロ8のジンバル軸14に直交するスピン軸8cの周りにフライホイール8aが回転自在に配設される。フライホイール8aはスピンモータ8bにより回転駆動される。また、フライホイール8a室はジャイロ8(ジンバル)の側壁に設置した真空ポンプ18によって負圧(0.1気圧以下程度)に保たれ、抵抗が少なく風損を減らして低摩擦で回転するように構成されている。ここで、真空ポンプ18によって負圧を保つ場合の一変形例として、密封方式(タイヤのように内部を負圧にして密封する方式)を用いると、そのまま長期間、真空ポンプを使用することなく負圧を保つこともできる。スピンモータ8bや真空ポンプ18は、本体7内に設けられたバッテリー(図示せず)にケーブルを介して接続されており、その電源によって回転駆動されるが、電力系統から直接駆動することもできる。この一変形例は、ジャイロ9においても同様である。
【0021】
ジャイロ9は、図2(a)に示すように、フライホイール9aとスピンモータ9bとを有しており、ジンバル軸15で回転自在に支持されている。また、ジンバル軸15の一端側はジンバル軸受台19に軸支され、ジンバル軸15の他端側はジンバル軸受台20に軸支されている。また、図2(b)に示すように、ジャイロ9のジンバル軸15に直交するスピン軸9cの周りにフライホイール9aが回転自在に配設される。フライホイール9aはスピンモータ9bにより回転駆動される。また、フライホイール9a室はジャイロ9(ジンバル)の側壁に設置した真空ポンプ21によって負圧(0.1気圧以下程度)に保たれ、抵抗が少なく風損を減らして低摩擦で回転するように構成されている。なお、ジャイロ9は、ジャイロ8と点対称となるように設けられているが、フライホイール9aの回転方向はジャイロ8のフライホイール8aと逆になっている。これにより、ジャイロ8、9の余剰モーメント(不安定な方向のジャイロモーメント)を打ち消すことができる。したがって、ジャイロ式波力発電装置1の不要な運動やエネルギー損失を防止できる。
【0022】
ここで、ジャイロ8、9、ギア10、11、12、発電機13の配置や構成における変形例について説明する。上記実施形態では、3つのギア10、11、12を平行にして並べた平行ギア方式を採用し、点対称にジャイロ8、9が配置され、ギア12に発電機13が接続されているものを示したが、ギア12を使用せずに、ギア10、11のみとし、これらギア10、11のそれぞれに発電機を接続することとしてもよい。または、ギア12を使用せずに、ギア10、11のみとし、ジンバル軸14又は15の外側の端部にギアを設けた上で、このギアに1つの発電機を接続することとしてもよい。また、ギア10、11のみとし、ジャイロ8、9両方をギア10、11の同じ一方面に対抗するように配置し、これらギア10、11の他方面のそれぞれに発電機を接続することとしてもよい。このとき、ギア10、11の他方面のそれぞれに接続した発電機を1つだけにして、ギア10又はギア11の片方に接続することとしてもよい。また、平行ギア方式の代わりに、図3の側断面図に示すように、ベベルギア31、32、33を採用するとともに、ジャイロ34、35を対称配置とし、ジャイロ34、35間の中央上部に発電機36を配設するようなジャイロ式波力発電装置37としてもよい。なお、発電機には増速ギアが設けられていてもよい。
【0023】
浮体2は、矩形環状部材であり、水上に浮かぶことができるものであれば、中が空洞の管状部材を用いてもよいし、軽い材料で中身が密なものであってもよい。浮体2の製造方法については、板金、溶接、プラスチック成形等が採用され、素材についても、低炭素鋼、ステンレス、FRP、鋳物等適宜のものが採用され得る。
【0024】
このような構成の波力発電システム100が波力によりジャイロ式波力発電装置1の本体7長手方向(浮体2短手方向)に揺動すると、ジャイロ8、9内にて回転するフライホイール8a、9aとのジャイロ効果によってジンバル軸14、15が回転を始める。このとき、例えば、特開2005-207332号公報(図5及び段落0029参照)で本発明者が開示したように、浮体2の揺れを検出する浮体揺れセンサ、回転数制御器、ジンバル角(軸方向)センサをジャイロ式波力発電装置1の本体7やジャイロ8、9に設けておけば、揺れセンサで浮体2の揺れを検出し、その検出信号はフィルタによって回転数制御器を粗調整し、ジャイロ8、9本体のジンバル軸14、15の角位置をジンバル角(軸方向)センサにて検出して、ジンバル軸14、15を発電量が最大となる位相に刻々又は所定の平均時間毎に微調整制御することにより、浮体2の揺れとジャイロ8、9本体の回転を同期させて、ジャイロ8、9の特性を最大限に発揮させて、発電機の発電量を効果的に制御することが可能となる。
【0025】
また、例えば、特開2005-207332号公報(図6及び段落0030参照)で本発明者が開示したような構成を用いてもよい。すなわち、浮体2の揺れの主振動数成分付近でジンバル軸14、15が回転するように、浮体揺れセンサからの平均周波数を得て発電機13の回転数を粗調整した後に、発電機出力が平均的に最大となるように発電機13の回転数を微小変化させ、最大となる回転数を自動探索、追従させるように構成して、発電機13の回転数の粗調整の下で発電機出力を平均的に最大となるように微調整して、ジャイロ8、9の回転数を発電機13側で制御することがきわめて容易となり、より最も効率のよい発電が自動的に行える。
【0026】
上記構成の波力発電システム100によれば、波浪のある水上に浮かべた際、浮体である矩形環状部材の短手方向又は長手方向が、自然に波の進行方向に対して平行になる。したがって、波の進行方向が変化しても、ジャイロ式波力発電装置の発電効率が最大となるような向きに修正又は保持できる。また、上述した重りによって、波浪による望ましい浮体の揺れを得ることができる。
【0027】
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態に係る波力発電システムについて説明する。図4は、本発明の第2実施形態に係る波力発電システムの側面図である。
【0028】
第2実施形態に係る波力発電システム200は、ジャイロ式波力発電装置41と浮体42との間に、ジャイロ式波力発電装置41を昇降できる昇降機43、44が設けられている点で、第1実施形態の波力発電システム100と異なっている。なお、図4においては、昇降機がジャイロ式波力発電装置41を上部にあげてまた、ジャイロ式波力発電装置41及び浮体42は、ジャイロ式波力発電装置1及び浮体42と同構成である。
【0029】
昇降機43は、ジャイロ式波力発電装置41の一部を支える荷台43aと、浮体42に取り付けられた基台43cと、荷台43aと基台43cとの間に設けられ、荷台43aと上部が固定されると共に下部が基台43cに固定されている油圧式パワーユニットとを有している。昇降機44も同構成であるので、説明は省略する。なお、昇降機43、44は、ここで示したものに限られず、ジャイロ式波力発電装置41を昇降させることができるものであれば、どのようなものでもよい。
【0030】
上記構成の波力発電システム200によれば、昇降機43、44によってジャイロ式波力発電装置41を所定位置まで上昇させた際に、波力発電システム200自体の重心を所望する位置にできるので、水面上における浮体42の揺れの固有振動数を発電に適したものに(例えば、共振させるように)調整できる。また、悪天候の際や、メンテナンスの際など発電の必要がないときには折り畳んでおくことができるので、故障の防止や安全性の確保が可能となる。
【0031】
<第3実施形態>
次に、本発明の第3実施形態に係る波力発電システムについて説明する。図5は、本発明の第3実施形態に係る波力発電システムの側面図である。
【0032】
第3実施形態に係る波力発電システム300は、ジャイロ式波力発電装置51の上に、重り54を昇降できる昇降機53が設けられている点で、第1実施形態の波力発電システム100と異なっている。なお、ジャイロ式波力発電装置51及び浮体52は、ジャイロ式波力発電装置1及び浮体42と同構成である。また、昇降機53は、昇降機43と同構成であるので、説明を省略する。
【0033】
上記構成の波力発電システム300によれば、昇降機53によって重り54を所定位置まで上昇させた際に、波力発電システム300自体の重心を所望する位置にできるので、水面上における浮体52の揺れの固有振動数を発電に適したものに(例えば、共振させるように)調整できる。また、悪天候の際や、メンテナンスの際など発電の必要がないときには折り畳んでおくことができるので、故障の防止や安全性の確保が可能となる。
【0034】
<第4実施形態>
次に、本発明の第4実施形態に係る波力発電プラントについて説明する。図6は、本発明の第4実施形態に係る波力発電プラントと、港とを模式的に示した図である。
【0035】
図6に示した港は、防波堤61によって形成されており、防波堤61の港内には、桟橋62が設けられている。波力発電プラント401は港外に設けられ、波力発電プラント402は港内に設けられているとともに、桟橋62の港外側に設けられている。
【0036】
波力発電プラント401は、連結部材64を用いて、複数の波力発電システム63を接続して一列にしたものを、2列並列させてなるものである。このとき、波浪の進行方向に対して、近隣の波力発電システム63が重複しないように且つぶつからない程度に密に配設されている(例えば千鳥配置)。波力発電プラント402は、連結部材64を用いて、複数の波力発電システム63を接続して一列にしたものを、2列並列させてなるものである。なお、ここでは、波力発電プラント401、402は、2列並列させてなるものを示しているが、これに限られず、設けるスペースさえあれば、何列でもかまわない。
【0037】
上記構成によれば、所定範囲における波浪のエネルギーを最大限利用できるので、従来よりも効率よく且つ経済的に発電を行うことができる波力発電プラント401、402を提供できる。また、効率よく、所定範囲における波浪のエネルギーを吸収するので、より広い範囲において波浪を消波できる。
【0038】
なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態においては、ジャイロは1対のものであったが、これに限られず、3つ以上のものでも、ジャイロの余剰モーメント(不安定な方向のジャイロモーメント)を打ち消すように配設さえされていればよい。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本発明の第1実施形態に係る波力発電システムの概略構成図である。
【図2】(a)は、図1の波力発電システムに用いられているジャイロ式波力発電装置の全体断面図、(b)は、(a)におけるジャイロが回転した際のフライホイールを断面で示したジャイロ式波力発電装置の全体断面図である。
【図3】本発明の第1実施形態に係る波力発電システムにおけるジャイロ式波力発電装置の一変形例を示す断面図である。
【図4】本発明の第2実施形態に係る波力発電システムの側面図である。
【図5】本発明の第3実施形態に係る波力発電システムの側面図である。
【図6】本発明の第4実施形態に係る波力発電プラントと、港とを模式的に示した図である。
【0040】
1、37、41、51 ジャイロ式波力発電装置
2、42、52 浮体
3、4 フランジ
5 アンカー
6 鎖
7 本体
8、9、34、35 ジャイロ
8a、9a フライホイール
8b、9b スピンモータ
8c、9c スピン軸
10、11、12 ギア
13、36 発電機
14、15 ジンバル軸
16、17、19、20 ジンバル軸受台
18、21 真空ポンプ
31 ベベルギア
43、44、53 昇降機
43a 荷台
43b 油圧式パワーユニット
43c 基台
61 防波堤
62 桟橋
63、100、200、300、 波力発電システム
64 連結部材
401、402 波力発電プラント
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5