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明細書 :波力発電装置及び波力発電方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 再公表特許(A1)
発行日 令和2年8月6日(2020.8.6)
発明の名称または考案の名称 波力発電装置及び波力発電方法
国際特許分類 F03B  13/18        (2006.01)
FI F03B 13/18
国際予備審査の請求
全頁数 23
出願番号 特願2019-537638 (P2019-537638)
国際出願番号 PCT/JP2018/030841
国際公開番号 WO2019/039471
国際出願日 平成30年8月21日(2018.8.21)
国際公開日 平成31年2月28日(2019.2.28)
優先権出願番号 2017158848
優先日 平成29年8月21日(2017.8.21)
優先権主張国 日本国(JP)
指定国 AP(BW , GH , GM , KE , LR , LS , MW , MZ , NA , RW , SD , SL , ST , SZ , TZ , UG , ZM , ZW) , EA(AM , AZ , BY , KG , KZ , RU , TJ , TM) , EP(AL , AT , BE , BG , CH , CY , CZ , DE , DK , EE , ES , FI , FR , GB , GR , HR , HU , IE , IS , IT , LT , LU , LV , MC , MK , MT , NL , NO , PL , PT , RO , RS , SE , SI , SK , SM , TR) , OA(BF , BJ , CF , CG , CI , CM , GA , GN , GQ , GW , KM , ML , MR , NE , SN , TD , TG) , AE , AG , AL , AM , AO , AT , AU , AZ , BA , BB , BG , BH , BN , BR , BW , BY , BZ , CA , CH , CL , CN , CO , CR , CU , CZ , DE , DJ , DK , DM , DO , DZ , EC , EE , EG , ES , FI , GB , GD , GE , GH , GM , GT , HN , HR , HU , ID , IL , IN , IR , IS , JO , JP , KE , KG , KH , KN , KP , KR , KW , KZ , LA , LC , LK , LR , LS , LU , LY , MA , MD , ME , MG , MK , MN , MW , MX , MY , MZ , NA , NG , NI , NO , NZ , OM , PA , PE , PG , PH , PL , PT , QA , RO , RS , RU , RW , SA , SC , SD , SE , SG , SK , SL , SM , ST , SV , SY , TH , TJ , TM , TN , TR , TT
発明者または考案者 【氏名】浅井 健彦
【氏名】原口 瑠理子
【氏名】荒木 慶一
出願人 【識別番号】504171134
【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学
個別代理人の代理人 【識別番号】100107766、【弁理士】、【氏名又は名称】伊東 忠重
【識別番号】100070150、【弁理士】、【氏名又は名称】伊東 忠彦
審査請求 未請求
テーマコード 3H074
Fターム 3H074AA02
3H074AA12
3H074BB11
3H074CC04
要約 海に浮かぶことが可能な浮体物と、回転慣性質量効果を発生する回転体と、前記回転体の回転に基づいて電力を発生する発電機と、第1弾性体と、前記浮体物に前記第1弾性体を介して接続し、前記浮体物の動きに連動して前記回転体を回転させる駆動部とを含む、波力発電装置が開示される。
特許請求の範囲 【請求項1】
海に浮かぶことが可能な浮体物と、
回転慣性質量効果を発生する回転体と、
前記回転体の回転に基づいて電力を発生する発電機と、
第1弾性体と、
前記浮体物に前記回転体を前記第1弾性体を介して接続し、前記浮体物の動きに連動して前記回転体を回転させる駆動部とを含む、波力発電装置。
【請求項2】
第2弾性体を更に含み、
前記駆動部は、更に、静止物に前記回転体を前記第2弾性体を介して接続する、請求項1に記載の波力発電装置。
【請求項3】
前記駆動部は、一端が前記浮体物に接続されかつ他端が前記静止物に接続される線状の形態であり、
前記第2弾性体は、前記回転体の回転中、伸び量が0以上に維持される、請求項2に記載の波力発電装置。
【請求項4】
前記回転体は、回転慣性質量を可変とする可変機構を備える、請求項1に記載の波力発電装置。
【請求項5】
前記回転慣性質量は、前記浮体物の動きの周波数に応じて変化される、請求項4に記載の波力発電装置。
【請求項6】
制御装置を更に備え、
前記制御装置は、前記浮体物の動きの周波数に応じて前記回転慣性質量を電子制御により変化させる、請求項5に記載の波力発電装置。
【請求項7】
前記浮体物の動きの周波数に関する周波数情報を検出する検出手段を更に含み、
前記制御装置は、前記回転慣性質量及び前記発電機のアドミタンスのうちの少なくともいずれか一方の目標値と周波数範囲との対応関係を表す対応情報を記憶する記憶部を含み、
前記制御装置は、前記周波数情報と前記対応情報に基づいて、前記周波数情報の表す周波数が属する前記周波数範囲に対応付けられた前記目標値に、前記回転慣性質量及び前記アドミタンスのうちの少なくともいずれか一方を近づける、請求項6に記載の波力発電装置。
【請求項8】
海に浮かぶことが可能な浮体物に、回転慣性質量効果を発生する回転体を弾性体を介して接続する駆動部を用いて、前記浮体物の動きに連動させて前記回転体を回転させることで、前記回転体の回転に基づいて発電機により電力を発生させる、波力発電方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、波力発電装置及び波力発電方法に関する。
【背景技術】
【0002】
波によって動揺する浮体物の動きを回転運動に変換する変換機構と、変換機構を介して取り出された回転力により回転する回転軸体と、回転軸体に駆動されて発電する発電機ユニットとを備える波力発電装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【0003】

【特許文献1】特開2013-181433号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記のような従来技術では、浮体物の動きが直接的に(弾性体を介さずに)変換機構に入力されるので、回転慣性質量効果を増大させて発電効率を高めることが難しい。
【0005】
そこで、1つの側面では、本発明は、回転慣性質量効果を増大させて発電効率を高めることができる波力発電装置及び波力発電方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するため、本発明の一局面によれば、海に浮かぶことが可能な浮体物と、
回転慣性質量効果を発生する回転体と、
前記回転体の回転に基づいて電力を発生する発電機と、
第1弾性体と、
前記回転体と前記浮体物との間を前記第1弾性体を介して接続し、前記浮体物の動きに連動して前記回転体を回転させる駆動部とを含む、波力発電装置が提供される。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、回転慣性質量効果を増大させて発電効率を高めることができる波力発電装置及び波力発電方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】一実施例による波力発電装置1の模式図である。
【図2】図1に示す波力発電装置1のモデルを示す図である。
【図3】最適解に係る計算結果を示す表図である。
【図4】図3の計算例で使用したパラメータの各値を示す表図である。
【図5A】数値解析結果を示す図である。
【図5B】別の数値解析結果を示す図である。
【図6】比較例によるモデルを示す図である。
【図7】回転慣性質量の可変機構の模式図である。
【図8】波力発電装置1の制御システム8の一例を示す図である。
【図9】制御装置800のハードウェア構成の一例を示す図である。
【図10】制御装置800の機能の一例を示す機能ブロック図である。
【図11】対応関係情報の一例を示す図である。
【図12】制御装置800の動作例を示す概略フローチャートである。
【図13】別の設置方法の説明図である。
【図14A】第1の従来のモデルを示した図である。
【図14B】第2の従来のモデルを示した図である。
【図14C】実施例のモデルを示した図である。
【図15】図14A~図14Cのモデルの発電効率及び機構の簡易性を比較して示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

【0010】
本明細書において、「静止物」とは、地球に対して実質的に固定されたものを含む概念であり、自然物のみならず人工物をも含む概念である。また、「実質的に固定され」とは、波に応じて変位しないことを意味し、後述の浮体物30よりも変位が少ない支持形態を含む概念である。

【0011】
図1は、一実施例による波力発電装置1の模式図である。図1には、海面が模式的に破線L1で示されている。

【0012】
波力発電装置1は、浮体物30と、回転体32と、発電機40と、同調バネ41(第1弾性体の一例)と、支持バネ42(第2弾性体の一例)と、駆動部50とを含む。

【0013】
浮体物30は、海に浮かぶことが可能な任意の物体であり、いわゆるブイ(浮標)の形態であってよい。浮体物30のサイズや質量は任意であるが、例えば質量は10トン程度であってよい。浮体物30は、波に応じて静止物に対して変位する。以下、波に応じて変位することを、「動揺する」ともいう。ここでは、浮体物30の動揺の上下方向の成分に着目し、波に応じて生じる上下方向の浮体物30の動きを、「振動」と称する。一般的に海面に生じる波の周期は、天候や季節等の環境条件の変化に応じて変化するので、浮体物30の振動の周波数も、常に一定とはならず、環境条件の変化に応じて変化する。

【0014】
回転体32は、回転慣性質量効果を発生する。回転体32は、発電機40の入力軸(回転軸)に取り付けられる。但し、回転体32は、発電機40の入力軸と一体的に形成されてもよい。また、回転体32は、発電機40の入力軸にギア等を介して接続されてもよい。回転体32は、後述するように駆動部50により回転トルクが付与され、回転する。この際、回転体32は、発電機40の入力軸に回転トルクを与える。回転体32が発生させる回転慣性質量効果は、発電機40の入力軸自体が有する回転慣性質量効果よりも有意に大きい。即ち、回転体32は、発電機40の入力軸自体が有する回転慣性質量効果に有意な回転慣性質量効果を付加する。回転体32が発生させる回転慣性質量効果に係る回転慣性質量は、好ましくは、例えば浮体物30の質量の3%以上であり、より好ましくは、浮体物30の質量の10%以上である。以下、特に言及しない限り、回転慣性質量効果とは、回転体32に関するものとする。回転慣性質量効果の更なる詳細については後述する。

【0015】
発電機40は、回転体32の回転に基づいて電力を発生する。発電機40は、ステータ側が静止物に対して固定される。例えば、図1に示すように発電機40が海中に設置される場合、発電機40は、ステータ側が海底の静止物に固定される。発電機40は、入力軸が略水平方向になる向きに配置される。

【0016】
同調バネ41は、所定のバネ定数k[N/m]を有する。同調バネ41は、駆動部50に直列に接続される。同調バネ41の接続位置は、浮体物30と回転体32との間に設定される。同調バネ41は、例えば、浮体物30と回転体32との間の区間内で、駆動部50に組み込まれる。例えば、駆動部50は、複数の分割された部材を有し、同調バネ41は、部材間に接続されてもよい。或いは、同調バネ41は、駆動部50と一体的に形成されてもよい。或いは、同調バネ41は、浮体物30に一端が接続され、他端が駆動部50に接続されてもよい。

【0017】
同調バネ41のバネ定数kは、着目周波数frefで浮体物30が振動したときに、回転体32の回転慣性質量が浮体物30の振動に同調するように設定される。着目周波数frefの決め方は、任意であるが、例えば波力発電装置1の設置場所で生じる波で生じる浮体物30の振動の多様な周波数のうちの、代表値が使用されてもよい。「回転体32の回転慣性質量が浮体物30の振動に同調」については、後に詳説する。

【0018】
支持バネ42は、所定のバネ定数k[N/m]を有する。支持バネ42は、駆動部50に直列に接続される。支持バネ42の接続位置は、回転体32と静止物(図1の例では、海底の静止物)との間に設定される。支持バネ42は、例えば、回転体32と静止物との間の区間内で、駆動部50に組み込まれる。例えば、駆動部50は、複数の分割された部材を有し、支持バネ42は、部材間に接続されてもよい。或いは、支持バネ42は、駆動部50と一体的に形成されてもよい。或いは、支持バネ42は、静止物に一端が接続され、他端が駆動部50に接続されてもよい。

【0019】
支持バネ42は、浮体物30の動きに起因して駆動部50が弛まないように、伸び量が0以上に維持される。従って、支持バネ42は、駆動部50の張力を0以上に維持する機能を有する。

【0020】
駆動部50は、ケーブルや、ワイヤ、チェーン、ベルト等のような線状の形態であり、バネ定数が実質的に0である。駆動部50は、図1に模式的に示すように、一端が浮体物30に同調バネ41を介して接続し、かつ、他端が静止物に支持バネ42を介して接続する。

【0021】
駆動部50は、図1に示すように、上下方向に延在する上下区間と、略水平方向に延在する水平区間とを有する。尚、図1に示す例では、同調バネ41は、上下区間に設けられ、支持バネ42は、水平区間に設けられている。上下区間と水平区間との間の屈曲は、回転体32まわりで実現されている。但し、変形例では、上下区間と水平区間との間の屈曲は、回転体32とは異なる別のプーリーなどで実現されてもよい。

【0022】
駆動部50は、浮体物30の動きに連動して回転体32を回転させる。本実施例では、駆動部50は、浮体物30の振動に連動して、回転体32を回転させる。駆動部50と回転体32との間の伝動機構は任意である。例えば、駆動部50は、歯車(ギア)とチェーンの伝動機構を介して、回転体32を回転させる。この場合、駆動部50は、歯車に噛み合うチェーンを一体的に含み、回転体32は、歯車の回転に連動して回転する態様で、歯車に接続される。或いは、駆動部50は、ベルトとプーリーの伝動機構を介して、回転体32を回転させてもよい。この場合、駆動部50は、プーリーに巻かれるベルトを一体的に含み、回転体32は、プーリーの回転に連動して回転する態様で、プーリーに接続される。

【0023】
図2は、図1に示す波力発電装置1のモデルを示す図である。図2には、波力発電装置1の制御回路80(制御装置の一例)についても併せて模式的に示される。

【0024】
図2では、Mは、浮体物30に作用する付加水質量と浮体物30の質量の和を表し、K及びCは、浮体物30に作用する流体(海水)のバネ及びダンパ効果のそれぞれのバネ定数[N/m]及び減衰定数[N s/m]を表し、k、kは、上述のように同調バネ41と支持バネ42のバネ定数を表し、cは発電機40内のダンパ効果の減衰定数を表し、mは、回転体32の回転慣性質量[kg]を表す。また、Kは、発電機40の逆起電力定数[V s/m]を表す。

【0025】
制御回路80は、電力変換器(図示せず)を含み、電力変換器は、例えば単一のMOSFET(metal oxide semiconductor field-effect transistor)のようなスイッチング素子を含む一方向の変換器である。この場合、単一のスイッチング素子に係るパルス幅変調(PWM)制御が容易となり、かつ、寄生損失を低減できる。発電機40に流れる電流i[A]は、以下の通り表現できる。
i=-Yv
ここで、Yは、アドミタンス[1/Ω]であり、vは、電圧(電位差)[V]である。アドミタンスYは、スイッチング素子をオン/オフさせる際のデューティ比を変化させることで、所定の上限値以下の範囲内で可変となる。

【0026】
制御入力をuとすると、制御入力uを与えるときの図2に示すモデルの動きは、釣り合いから、以下の通り表現できる。

【0027】
【数1】
JP2019039471A1_000003t.gif
ここで、ドットは、時間微分、ツードットは二階時間微分を表す。同調バネ41の伸びをrとし、支持バネ42の伸びをrとすると、r=r+rである。rは、浮体物30の振動の変位(図1参照)を表す。fは、同調バネ41による力(弾性力)を表し、以下の関係を有する。
=k=k(r-r
なお、kは、上述のように同調バネ41のバネ定数であり、0よりも大きい制約が入る。
制御入力uは、以下の関係を有する。
u=-K
また、浮体物30の動きは、以下の通り表現できる。

【0028】
【数2】
JP2019039471A1_000004t.gif
ここで、fは、浮体物30が波から受ける力を表す。浮体物30が波から受ける力fは、一例として、以下のパワースペクトル密度S(ω)を有する、バンドパスフィルタ処理されたホワイトノイズで表現されるものとする。

【0029】
【数3】
JP2019039471A1_000005t.gif
ここで、jは、虚数単位(j=-1)であり、ωは、波の振動に係る角速度[rad/s]を表し、ωは、バンドパスフィルタの通過帯域の中心であり、ζは、周波数成分の拡がり(例えば外乱に起因した波の周期の拡がり)を表す。
発電量Pgは、以下の通り表現できる。
Pg=-iv-Ri
ここで、Rは、抵抗である。
これらの関係式から、詳細の説明は省略するが、ある周波数fref0で浮体物30が振動したときに、発電量Pgを最大化するアドミタンスY、バネ定数k、及び回転体32の回転慣性質量m(最適解)が存在する。本明細書では、かかる最適解を実現することを、「回転体32の回転慣性質量が浮体物30の振動に同調する」と表現する。回転体32の回転慣性質量が浮体物30の振動に同調することで、発電効率を高めることができる。

【0030】
図3は、バネ定数kが一定値の下で、回転体32の回転慣性質量mとアドミタンスYを変化させたときの発電量Pgを、周波数fref0ごとに、計算した結果を示す表図である。図3では、使用した各パラメータの値は、図4のとおりである。

【0031】
図3では、バネ定数kが一定値(本例では、3.9766×10)であるが、バネ定数k=当該一定値のときがバネ定数kが最適解となるときの、回転慣性質量mとアドミタンスYとを示していると見做せる。

【0032】
例えば、周波数fref0=1/4[1/s]のとき、発電量Pgは、m=1101、Y=0.001835であるとき、最大値(Pg=2464)となる。従って、換言すると、周波数fref0=1/4かつm=1101のときは、k=3.9766×10かつY=0.001835が最適解となる。同様に、周波数fref0=1/5[1/s]のとき、発電量Pgは、m=2010、Y=0.0011であるとき、最大値(Pg=1375)となる。従って、換言すると、周波数fref0=1/5かつm=2010のときは、k=3.9766×10かつY=0.0011が最適解となる。

【0033】
図3から分かるように、本実施例によれば、波力発電装置1は、同調バネ41を備えるので、回転体32の回転慣性質量を浮体物30の振動に同調させることが可能であり、発電効率を高めることができる。即ち、本実施例によれば、回転体32の回転慣性質量を浮体物30の振動に同調させることで、回転慣性質量効果を増大させて発電効率を高めることが可能である。

【0034】
例えば、図3の場合、バネ定数kを、k=3.9766×10に設定しておくと、周波数fref0=1/4かつm=1101のとき、回転体32の回転慣性質量が浮体物30の振動に同調する。回転体32の回転慣性質量が浮体物30の振動に同調すると、回転慣性質量効果を増大させて発電効率を高めることができる。従って、この場合、同調バネ41を備えない比較例(即ちk≒0)(図6も参照)に比べて、発電効率を高めることができる。

【0035】
また、本実施例によれば、波力発電装置1は、回転慣性質量効果を発生する回転体32を備えるので、発電機40の入力軸の回転慣性質量に比べて有意に大きな回転慣性質量を実現できる。また、回転体32の回転慣性質量を適切に設定することで、回転体32の回転慣性質量を浮体物30の振動に同調させることが可能であり、発電効率を高めることができる。

【0036】
例えば、図3の場合、回転体32の回転慣性質量mを、m=1101に設定しておくと、周波数fref0=1/4かつk=3.9766×10のとき、回転体32の回転慣性質量を浮体物30の振動に同調させることができ、回転慣性質量効果を増大させて発電効率を高めることができる。従って、この場合、回転体32を備えない比較例(即ちm≒0)(図6も参照)に比べて、発電効率を高めることができる。

【0037】
図5A及び図5Bは、数値解析結果を示す図である。図5A及び図5Bでは、横軸に、波の周期に対応する角速度ω[rad/s]を取り、縦軸に発電量Pg[W]を取り、波の周期に応じた発電量の変化特性が示される。図5Aにおいて、変化特性501は、本実施例による特性であり、変化特性502は、図6に示す比較例による特性である。また、図5Bにおいて、変化特性503は、本実施例による特性であり、変化特性504は、図6に示す比較例による特性である。比較例は、図6でモデルにて示すように、同調バネ41及び回転体32を備えていない構成である。尚、図6において、m’は、発電機の入力軸の回転慣性質量であり、回転体32の回転慣性質量よりも有意に小さい。

【0038】
図5Aは、波の外乱が比較的正弦波に近い狭帯域(波の周波数帯としての狭帯域)に集中した場合の数値解析結果を示し、図5Bは、波の外乱が広帯域を含んだ場合の同結果を示す。図5A及び図5Bから、本実施例によれば、比較例に比べて、波の外乱が狭帯域である場合でも広帯域を含んだ場合でも、発電量を高めることができていることが分かる。例えば、日本海側で多く観測される角速度ω=1付近の周期の波に対して、比較例に比べて、発電量を有意に高めることができていることが分かる。

【0039】
ところで、上述のように、同じ場所でも、波の周期は、環境条件の変化に応じて変化するので、浮体物30の振動の周波数も、常に一定とはならず、環境条件の変化に応じて変化する。

【0040】
この点、浮体物30の振動の周波数が変化しても、回転体32の回転慣性質量を浮体物30の振動に同調させることができれば、環境条件が変化しても高い発電効率を維持できる。即ち、浮体物30の振動の周波数に応じて、回転体32の回転慣性質量が浮体物30の振動に同調するように、アドミタンスY、バネ定数k、及び回転体32の回転慣性質量mの3つのパラメータを変化させることで、環境条件が変化しても高い発電効率を維持できる。

【0041】
従って、本実施例において、アドミタンスY、バネ定数k、及び回転体32の回転慣性質量mの3つのパラメータのうちの、任意の1つ、又は任意の2つの組合わせ、若しくは全ては、浮体物の動きの周波数に応じて変化されてもよい。これにより、環境条件が変化しても高い発電効率を維持できる。尚、浮体物の動きの周波数は、後述のように、波の周期に基づいて算出されてよい。

【0042】
この点、アドミタンスYについては、上述のように、制御回路80のスイッチング素子をオン/オフさせる際のデューティ比を変化させることで変化させることができる。従って、アドミタンスYの変化は、電子制御により実現できる。

【0043】
また、バネ定数kについては、バネ定数の異なる複数の同調バネ41を用意し、同調バネ41を付け替えることで変化させることができる。従って、バネ定数kの変化は、手動又はロボット等の作業により実現できる。

【0044】
また、回転体32の回転慣性質量mについては、回転慣性質量の異なる複数の回転体32を用意し、回転体32を付け替えることで変化させることができる。この場合、回転慣性質量mの変化は、手動又はロボット等の作業により実現できる。或いは、回転体32は、回転慣性質量を可変とする可変機構を備えてもよい。可変機構の一例は、例えば、図7に概略的に示される。図7には、可変機構とともに、発電機40の入力軸である回転軸601と、駆動部50の一例であるワイヤ71と、ギア72とが模式的に併せて示される。

【0045】
図7に示す例では、可変機構を含む回転体32は、発電機40の回転軸601まわりに取り付けられている。回転体32は、回転軸601に固定される円盤状の部材610を備える。円盤状の部材610は、回転軸601と共に回転する態様(回転の矢印R1参照)で、回転軸601に固定される。円盤状の部材610には、径方向の複数の溝611(図7では4つの溝611)が形成される。溝611には、錘602が径方向に移動可能に設けられる(矢印R2参照)。かかる可変機構600によれば、錘602の径方向の位置を変化させることで、回転体32の回転慣性質量を変化させることができる。

【0046】
ここで、駆動部50と発電機40との間の伝動機構がチェーン付きのワイヤ71とギア72(チェーンに噛み合うギア72)であるとすると、発電機40の回転角をθとし、ワイヤ71の変位をx、ギア72の半径をrwとすると、以下の関係が成り立つ。
x=rwθ
また、ワイヤの張力をFとし、発電用モーターの慣性モーメントをIとすると、発電機40の回転の運動方程式は、以下のとおりである。

【0047】
【数4】
JP2019039471A1_000006t.gif
ここで、慣性モーメントIは半径rmの位置に設置された質量m0の錘602(図7参照)によりのみ与えられると仮定すると、慣性モーメントIは、以下のとおりである。
I=rmm0
以上よりIとθを消去すると、張力Fは、以下のとおりである。

【0048】
【数5】
JP2019039471A1_000007t.gif
これにより、ワイヤ71には、以下の回転慣性質量効果が与えられていることがわかる。

【0049】
【数6】
JP2019039471A1_000008t.gif
尚、数5の式からは、錘602の径方向の位置(半径rm)及びギアの半径rwの少なくともいずれか一方を変化させることで、回転慣性質量mの値を変化させることが可能であることが分かる。従って、回転慣性質量を可変とする可変機構は、ギアの半径rwに対応する径を可変する機構(例えばプーリーの径を可変とする機構)として実現されてもよい。

【0050】
次に、図8以降を参照して、波力発電装置1の制御方法の一例について説明する。以下では、一例として、同調バネ41のバネ定数kが可変でない場合を想定する。また、以下では、一例として、可変機構600を用いる場合を想定する。

【0051】
図8は、波力発電装置1の制御システム8の一例を示す図である。

【0052】
制御システム8は、制御回路80と、可変機構600と、制御装置800と、波高センサ802(検出手段の一例)とを含む。制御回路80は、上述した通りである。制御装置800は、例えばコンピュータにより形成される。波高センサ802は、波力発電装置1の設置場所の波の高さ(周波数情報の一例)を計測するセンサである。波高センサ802は、計測値(波高値)に応じた電気信号を制御装置800に与える。

【0053】
図9は、制御装置800のハードウェア構成の一例を示す図である。図9には、制御装置800のハードウェア構成に関連付けて、周辺機器60が模式的に図示されている。周辺機器60は、制御回路80や波高センサ802等を含んでよい。

【0054】
制御装置800は、バス19で接続されたCPU(Central Processing Unit)11、RAM(Random Access Memory)12、ROM(Read Only Memory)13、補助記憶装置14、ドライブ装置15、及び通信インターフェース17、並びに、通信インターフェース17に接続された有線送受信部25及び無線送受信部26を含む。

【0055】
補助記憶装置14は、例えばHDD(Hard Disk Drive)や、SSD(Solid State Drive)などであり、アプリケーションソフトウェアなどに関連するデータを記憶する記憶装置である。

【0056】
有線送受信部25は、有線ネットワークを利用して通信可能な送受信部を含む。有線送受信部25には、周辺機器60が接続される。但し、周辺機器60の一部又は全部は、バス19に接続されてもよいし、無線送受信部26に接続されてもよい。

【0057】
また、無線送受信部26は、近距離無線通信(NFC:Near Field Communication)部、ブルーツース(Bluetooth、登録商標)通信部、Wi-Fi(Wireless-Fidelity)送受信部、赤外線送受信部などを含んでもよい。

【0058】
尚、制御装置800は、記録媒体16と接続可能であってもよい。記録媒体16は、所定のプログラムを格納する。この記録媒体16に格納されたプログラムは、ドライブ装置15を介して制御装置800の補助記憶装置14等にインストールされる。インストールされた所定のプログラムは、制御装置800のCPU11により実行可能となる。例えば、記録媒体16は、CD(Compact Disc)-ROM、フレキシブルディスク、光磁気ディスク等の様に情報を光学的,電気的或いは磁気的に記録する記録媒体、ROM、フラッシュメモリ等のように情報を電気的に記録する半導体メモリ等であってよい。

【0059】
図10は、制御装置800の機能の一例を示す機能ブロック図である。図11は、対応関係情報の一例を示す図である。

【0060】
制御装置800は、波周期算出部840と、制御目標値決定部850と、制御実行部860と、対応情報記憶部870(記憶部の一例)とを含む。波周期算出部840、制御目標値決定部850、及び制御実行部860は、例えば図9に示すCPU11がROM13内の1つ以上のプログラムを実行することで実現できる。対応情報記憶部870は、例えば図9に示す補助記憶装置14により実現できる。

【0061】
波周期算出部840は、波高センサ802から得られる波高値の時系列情報に基づいて、波の周期を算出する。尚、波の周期の算出には、平滑化処理が用いられてもよい。平滑化処理では、移動平均法などが用いられてよい。

【0062】
制御目標値決定部850は、対応情報記憶部870内の対応情報と、波周期算出部840による波の周期の算出結果とに基づいて、制御目標値を決定する。対応情報は、周波数と回転慣性質量の目標値及びアドミタンスYの目標値との対応関係を表す情報(図11参照)であり、対応情報記憶部870に記憶される。以下、回転慣性質量の目標値及びアドミタンスYの目標値を、それぞれ、「目標値mtar」及び「目標値Ytar」と表記する。

【0063】
図11に示す対応情報では、周波数範囲ごとに、回転慣性質量の目標値mtar(m1、m2等)及びアドミタンスYの目標値Ytar(Y1,Y2等)が対応付けられている。例えば周波数範囲=fa1~fa2であるときは、回転慣性質量の目標値mtar=m1、アドミタンスYの目標値=Y1である。対応情報は、周波数範囲ごとに、対応付けられた回転慣性質量の目標値mtar及びアドミタンスYの目標値Ytarを実現すれば、回転体32の回転慣性質量が浮体物30の振動に実質的に同調することになるように規定される。従って、浮体物30の振動の周波数がfa1~fa2内であるとき、回転慣性質量mがm1となりかつアドミタンスYがY1となれば、回転体32の回転慣性質量が浮体物30の振動に実質的に同調する。

【0064】
図11の場合、制御目標値決定部850は、先ず、波周期算出部840による波の周期の算出結果に基づいて、波の周期に対応する周波数(浮体物30の振動の周波数)を算出する。例えば、波の周期=tのとき、波の周期に対応する周波数=1/tとされてよい。そして、制御目標値決定部850は、波の周期に対応する周波数の算出値が属する周波数範囲に対応付けられた回転慣性質量の目標値mtar及びアドミタンスYの目標値Ytarを、制御目標値として決定する。

【0065】
制御実行部860は、制御目標値決定部850により決定された制御目標値に基づいて、制御回路80及び可変機構600を制御する。具体的には、制御実行部860は、アドミタンスYの目標値Ytarが実現されるように制御回路80に指令を与える。制御回路80は、かかる指令に応答して、目標値YtarにアドミタンスYが近づくようにスイッチング素子のオン/オフのデューティ比を変化させる。また、同様に、制御実行部860は、回転慣性質量の目標値mtarが実現されるように可変機構600のアクチュエータ(図示せず)に指令を与える。アクチュエータは、かかる指令に応答して、目標値mtarに回転慣性質量が近づくように錘602の径方向の位置(半径rm)を変化させる。

【0066】
このように本実施例の波力発電装置1の制御システム8によれば、波高センサ802から得られる波高値に基づいて、アドミタンスYの目標値Ytar及び回転慣性質量の目標値mtarが決定される。そして、アドミタンスYの目標値Ytar及び回転慣性質量の目標値mtarが実現されるように発電機40及び可変機構600が制御される。これにより、環境条件の変化に起因して波の周期が変化しても、当該変化に対応して自動的に制御目標値が変化される。この結果、波の周期が変化しても、高い発電効率を維持できる。

【0067】
図12は、制御装置800の動作例を示す概略フローチャートである。図12に示す処理は、所定周期毎に繰り返し実行されてよい。

【0068】
ステップS1200では、波周期算出部840は、今回周期での波高値を波高センサ802から取得する。

【0069】
ステップS1202では、波周期算出部840は、今回周期以前の複数周期にわたりステップS1200で得た波高値(時系列)に基づいて、波の周期を算出する。

【0070】
ステップS1204では、制御目標値決定部850は、ステップS1202で得た波の周期に基づいて、制御目標値の設定・変更条件が成立したか否かを判定する。尚、初期の周期では、制御目標値の設定・変更条件が成立するものとする。制御目標値の設定・変更条件は、例えば、現在の制御目標値に係る周波数範囲に対して、ステップS1202で得た波の周期に係る周波数が逸脱したときに成立する。判定結果が“YES”の場合は、ステップS1206に進み、それ以外の場合は、ステップS1210に進む。

【0071】
ステップS1206では、制御目標値決定部850は、ステップS1202で得た波の周期と、対応情報記憶部870内の対応情報とに基づいて、ステップS1202で得た波の周期に対応する制御目標値を決定する。具体的には、上述したように、制御目標値決定部850は、ステップS1202で得た波の周期に係る周波数が属する周波数範囲を特定し、該周波数範囲対応付けられた回転慣性質量の目標値mtar及びアドミタンスYの目標値Ytarを、新たな制御目標値として決定する。

【0072】
ステップS1208では、制御目標値決定部850は、ステップS1206で得た新たな制御目標値で、制御目標値の今回値を更新する。

【0073】
ステップS1210では、制御目標値決定部850は、制御目標値の今回値を前回値で維持する。

【0074】
ステップS1212では、制御実行部860は、ステップS1208又はステップS1210で得た制御目標値の今回値に基づいて、制御回路80及び可変機構600を制御する。

【0075】
図12に示す処理によれば、所定周期毎に、波の周期を算出し、波の周期の変化に応じて制御目標値を動的に変化させることができる。

【0076】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

【0077】
例えば、上述した実施例では、波力発電装置1の回転体32、発電機40等は、海中に設置されているが、これに限られない。例えば、図13の模式図で示す波力発電装置1Aのように、陸上に浮体物30以外の構成要素(回転体32、発電機40等)が設置されてもよい。

【0078】
また、上述した実施例では、支持バネ42は、線形ばねであるが、定荷重ばねであってもよい。また、図13に示す例では、支持バネ42は、プーリーとカウンターウェイトとの組み合わせで代替されてもよい。この場合も、プーリーとカウンターウェイトとの組み合わせで、浮体物30の動きに起因して駆動部50が弛まないようにする機構を実現できる。

【0079】
また、上述した実施例では、波高センサ802に代えて又は加えて、浮体物30の加速度(周波数情報の一例)を検出する加速度計が利用されてもよい。この場合、波の周期は、浮体物30の加速度の時系列に基づいて導出できる。尚、加速度は、3軸の各成分が検出されてもよいし、上下方向の成分だけが検出されてもよい。

【0080】
ここで、図14A~図14Cを用いて、従来のモデルと実施例のモデルとの比較を行って本発明の利点について説明する。図14A~図14Cに示す3つのモデルとも、補助的な質量若しくは回転慣性質量をバネを介して付加することで共振効果を発生させてエネルギー吸収効果を高める動吸振器を基本原理として構成されている。

【0081】
図14Aは、特開2017-132336、特開2016-144249等に記載されている第1の従来のモデルを示した図である。図14Aにおいて、通常の負荷質量120、浮標130、同調バネ141、浮力142、水による減衰152、モーターによる減衰151がそれぞれ示されている。なお、図14Aで示した構成要素と同様の構成要素は、図14B及び図14Cにも同一の参照符号を用いて示し、その説明を省略する。

【0082】
図14Aは、一般的な動吸振器の原理を用いており、大きな付加質量を実現するのは困難であるため、大きな変位を得ることが難しく高い発電効率は見込めない。

【0083】
図14Bは、特開2013-155609に記載されている第2の従来のモデルを示した図である。図14Bにおいては、図14で示した構成要素に加えて、回転慣性による付加質量132を用いることで大きな負荷質量を実現させているが、図14Cに示す実施例のモデルほどの変位を得ることが難しいため、発電効率は図14Cに示す実施例のモデルには及ばない。また、回転慣性による付加質量132を含め、付加質量を二重に付けているため、機構が複雑である。

【0084】
図14Cは、実施例のモデルを示した図である。実施例のモデルは、浮標130の変位と比較して大きく増幅させた変位をモーターに与えることが可能であり、高い発電効果を得ることができる。また、図14Bに示した第2の従来のモデルのように、付加質量を二重に取り付ける必要が無く、比較的単純な機構で構成することができる。

【0085】
図15は、図14A~図14Cのモデルの発電効率及び機構の簡易性を比較して示した図である。図15に示されるように、図14Aの第1の従来のモデルは、機構の簡易性は優れているが、発電効率において劣る。図14Bの第2の従来のモデルは、発電効率が図14Aのモデルよりは向上しているものの、機構が複雑となり、機構の簡易性において劣る。

【0086】
これに対し、図14Cの実施例のモデルは、機構の簡易性については、図14Aの第1の従来のモデルよりはやや複雑となるが、図14Bの第2の従来のモデルよりは簡素であり、発電効率は図14A、図14Bの第1及び第2の従来のモデルと比較して大幅に向上している。このように、実施例のモデルは、機構の簡易性を維持しつつ発電効率を大幅に向上させることができるモデルであることが分かる。

【0087】
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。

【0088】
本願は、日本特許庁に2017年8月21日に出願された基礎出願2017-158848号の優先権を主張するものであり、その全内容を参照によりここに援用する。
【符号の説明】
【0089】
1 波力発電装置
8 制御システム
30 浮体物
32 回転体
40 発電機
41、141 同調バネ
42 支持バネ
50 駆動部
80 制御回路
120 通常の負荷質量
130 浮標
132 回転体による付加質量
142 浮力
151 モーターによる減衰
152 水による減衰
600 可変機構
601 回転軸
602 錘
800 制御装置
802 波高センサ
840 波周期算出部
850 制御目標値決定部
860 制御実行部
870 対応情報記憶部
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5A】
4
【図5B】
5
【図6】
6
【図7】
7
【図8】
8
【図9】
9
【図10】
10
【図11】
11
【図12】
12
【図13】
13
【図14A】
14
【図14B】
15
【図14C】
16
【図15】
17