(57)【要約】【課題】発電効率を向上させるとともに、構造を簡素化して耐久性と信頼性を高める。【解決手段】波力発電装置１は、海面２に浮かぶ浮体３と、浮体３の内部に、鉛直方向に往復直線運動が可能に設けられた振動体２０と、浮体３と振動体２０との間に設けられて振動体２０を浮体３に対して上下振動可能に弾性支持する空気バネ２５と、振動体２０の振動エネルギーを電力に変換する発電手段３５と、浮体３の鉛直方向の振動周期を検知する浮体振動周期検知手段４２と、浮体３の質量を可変させる浮体質量可変手段１６と、空気バネ２５のバネ定数を可変させるバネ定数可変手段３３と、浮体振動周期検知手段４２からの入力に基づき、浮体３の振動周期が海面２の波の周期に共振するように浮体質量可変手段１６を制御するとともに、振動体２０の振動周期が浮体３の振動周期に共振するようにバネ定数可変手段３３を制御する制御手段４３とを備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
海面に浮かぶ浮体と、
前記浮体の内部に、鉛直方向に往復直線運動が可能に設けられた振動体と、
前記浮体と前記振動体との間に設けられて前記振動体を前記浮体に対して上下振動可能に弾性支持する空気バネと、
前記振動体の振動エネルギーを電力に変換する発電手段と、
前記浮体の鉛直方向の振動周期を検知する浮体振動周期検知手段と、
前記浮体の質量を可変させる浮体質量可変手段と、
前記空気バネのバネ定数を可変させるバネ定数可変手段と、
前記浮体振動周期検知手段からの入力に基づき、前記浮体の振動周期が前記海面の波の周期に共振するように前記浮体質量可変手段を制御するとともに、前記振動体の振動周期が前記浮体の振動周期に共振するように前記バネ定数可変手段を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする波力発電装置。
【請求項２】
前記バネ定数可変手段は、
前記空気バネの主空気室に連通可能な少なくとも１つの副空気室と、
前記副空気室を前記主空気室に対して連通または遮断させるバルブ手段と、を備えて構成され、
前記制御手段は前記バルブ手段を開閉制御することを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。
【請求項３】
前記浮体質量可変手段は、
浮体に設けられた水室と、
前記水室に外水を注水する注水手段と、
前記水室に注水された外水を排水する排水手段と、を備えて構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の波力発電装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記浮体に対する前記振動体の上下動の振幅が所定量を超えた時に、前記振動体の固有振動数を前記浮体の固有振動数に対して遠ざけるように前記バネ定数可変手段を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の波力発電装置。
【請求項５】
前記発電手段は、
前記浮体または前記振動体の一方に設けられて鉛直方向に延びるラックギヤと、
前記浮体または前記振動体の他方に設けられた回転駆動型の発電機と、
前記発電機の駆動軸に設けられて前記ラックギヤに噛み合うピニオンギヤと、
を備えて構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の波力発電装置。
【請求項６】
前記ラックギヤが前記振動体側に設けられ、前記発電機が前記浮体側に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の波力発電装置。
【請求項７】
前記ピニオンギヤの回転運動量から前記振動体の前記浮体に対する相対運動量を検知する相対運動量検知手段をさらに有することを特徴とする請求項５または６に記載の波力発電装置。
【請求項８】
前記制御手段は、前記浮体に対する前記振動体の上下動の振幅が所定量を超えた時に、前記発電機の出力回路に電気抵抗を付与することによって前記駆動軸に回転抵抗を付与することを特徴とする請求項５または６に記載の波力発電装置。
【請求項９】
前記空気バネは、繊維とゴムの複合材を用いたローリングシールを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の波力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海面に発生する波のエネルギーにより発電を行う波力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されている海洋波浪を利用した波力発電装置が知られている。この波力発電装置はブイ状に構成されており、海面上に浮かぶ略円筒筐体状の浮体と、この浮体の内部にコイルスプリング状のバネ部材を介してサスペンション支持され、海面の波浪を受けて浮体が上下に揺動することにより、その上下振動に共振して逆位相に振動し、浮体の内部で往復直線運動を繰り返す振動体と、この振動体の往復直線運動により駆動されて発電する発電機とを備えた構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２１５１２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような波力発電装置において、外洋等における波高が高い波に対応して効率良く発電するには、振動体の重量を１０トン以上に設定することが好ましい。しかしながら、特許文献１に開示されている波力発電装置のように、振動体を弾性支持するバネ部材がコイルスプリング状である場合に、振動体の重量が１０トンを超えると、コイルスプリングに加わる負荷応力が許容値をはるかに超えてしまい、実用化するのが困難になるという課題があった。
【０００５】
このように、浮体の内部に振動体とコイルスプリングを設置し、波の周期に合わせて振動体とコイルスプリングの固有周期を設定した場合、コイルスプリングの現実的な設計が困難になる。しかも、コイルスプリングでは長期間の使用に伴う金属疲労等に起因してバネ常数が変化する傾向があり、これによって当初設計された振動体の振動周期や振動ストローク等が変わり、予定されていた発電効率が得られなくなる可能性があった。
【０００６】
一方、波の周期の変化に応じて振動体の固有振動数（共振点）を変化させる必要があり、特許文献１の波力発電装置では、振動体の質量に対して、質量を付加する付加質量体が設けられ、この付加質量体の質量が調整可能とされている。
【０００７】
ところが、このように密閉された浮体の内部で振動体の質量を変化させる構造は複雑で故障率が高いため、長期間無点検で連続作動することを強いられる波力発電装置においては採用し難く、あまり実用的ではない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、振動体の高重量化を実現可能にして発電効率を向上させるとともに、構造を簡素化して耐久性と信頼性を高め、併せて暴風雨時における破損を防止することのできる波力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
まず、本発明に係る波力発電装置は、海面に浮かぶ浮体と、前記浮体の内部に、鉛直方向に往復直線運動が可能に設けられた振動体と、前記浮体と前記振動体との間に設けられて前記振動体を前記浮体に対して上下振動可能に弾性支持する空気バネと、前記振動体の振動エネルギーを電力に変換する発電手段と、前記浮体の鉛直方向の振動周期を検知する浮体振動周期検知手段と、前記浮体の質量を可変させる浮体質量可変手段と、前記空気バネのバネ定数を可変させるバネ定数可変手段と、前記浮体振動周期検知手段からの入力に基づき、前記浮体の振動周期が前記海面の波の周期に共振するように前記浮体質量可変手段を制御するとともに、前記振動体の振動周期が前記浮体の振動周期に共振するように前記バネ定数可変手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
上記構成の波力発電装置によれば、波高が高い波に対応して効率良く発電するために振動体の重量を例えば１０トン以上の高重量なものに設定したとしても、この振動体の重量を支えるのが空気バネであるため、コイルスプリングのように負荷応力が許容値を超えることがなく、実用に耐え得る波力発電装置を提供することができる。
【００１１】
しかも、空気バネは金属製のスプリングと異なり、長期間使用しても金属疲労によりバネ定数が変化することがないため、当初設計された振動体の振動周期や振動ストローク等が変化することがなく、発電効率を長期間に亘って良好に維持することができる。さらに、空気バネを採用することによって波力発電装置の内部構造を簡素化し、軽量化もできるため、波力発電装置の耐久性と信頼性を高めることができる。
【００１２】
制御手段は、浮体振動周期検知手段からの入力に基づき、浮体の振動周期が海面の波の周期に共振するように浮体質量可変手段に浮体の質量を可変させ、これによって浮体の振動周期を波の周期に共振させる。
また、制御手段は、バネ定数可変手段に空気バネのバネ定数を可変させ、これによって振動体の振動周期（固有振動数）を浮体の振動周期に共振させる。
このように、浮体を波の周期に共振させると同時に、振動体の振動周期を浮体の振動周期に合わせることで共振させることができるため、波の周期に対して振動体の振動周期を最大限に大きくすることができる。そして、この振動体の運動エネルギーを発電手段によって電力に変換し、高い発電効率を得ることができる。
【００１３】
また、本発明に係る波力発電装置は、上記構成において、前記バネ定数可変手段は、前記空気バネの主空気室に連通可能な少なくとも１つの副空気室と、前記副空気室を前記主空気室に対して連通または遮断させるバルブ手段と、を備えて構成され、前記制御手段は前記バルブ手段を開閉制御することを特徴とする。
【００１４】
上記構成の波力発電装置において、バルブ手段が開かれると、副空気室が主空気室に連通して空気バネの実質的な空気容量が大きくなり、バネ定数が小さくなる。また、バルブ手段が閉じられると副空気室が主空気室から遮断されて空気バネの実質的な空気容量が小さくなり、バネ定数が大きくなる。
制御手段は、例えば波高が高い時にはバルブ手段を開いて空気バネの実質的な空気容量を大きくし、振動体の振動周期を長くして振動体を大きい波の周期に共振させる。
また、制御手段は、波高が低い時にはバルブ手段を閉じて空気バネの実質的な空気容量を小さくし、振動体の振動周期を短くして振動体を小さい波の周期に共振させる。
このように、副空気室のバルブ手段を開閉させるという、非常に簡素で信頼性が高く、制御が容易な構成により、空気バネのバネ定数を簡単に変更して振動体の振動周期を波の周期に共振させることができる。
【００１５】
また、本発明に係る波力発電装置は、上記構成において、前記浮体質量可変手段は、浮体に設けられた水室と、前記水室に外水を注水する注水手段と、前記水室に注水された外水を排水する排水手段と、を備えて構成されていることを特徴とする。
【００１６】
上記構成の波力発電装置によれば、注水手段によって浮体の水室に外水を注水することにより浮体の質量を大きくすることができる。
また、水室に注水された外水を排水手段によって排水することにより浮体の質量を小さくすることができる。
このように浮体の質量を変化させることにより、浮体の振動周期を波の周期に共振させて発電効率を高めることができる。
【００１７】
また、本発明に係る波力発電装置は、上記構成において、前記制御手段は、前記浮体に対する前記振動体の上下動の振幅が所定量を超えた時に、前記振動体の固有振動数を前記浮体の固有振動数に対して遠ざけるように前記バネ定数可変手段を制御することを特徴とする。
【００１８】
上記構成の波力発電装置によれば、例えば暴風雨等の波の荒い天候下において振動体の上下動の振幅が所定量を超えると、バネ定数可変手段が制御されることによって振動体の固有振動数が浮体の固有振動数に対してずらされる。
このため、浮体に対する振動体の共振点がずれ、浮体の内部における振動体の振幅が小さくなり、暴風雨時に振動体が揺れ過ぎることによる破損や寿命の短縮等が防止される。
【００１９】
また、本発明に係る波力発電装置は、上記構成において、前記発電手段は、前記浮体または前記振動体の一方に設けられて鉛直方向に延びるラックギヤと、前記浮体または前記振動体の他方に設けられた回転駆動型の発電機と、前記発電機の駆動軸に設けられて前記ラックギヤに噛み合うピニオンギヤと、を備えて構成されていることを特徴とする。
【００２０】
上記構成の波力発電装置によれば、浮体に対する振動体の往復運動エネルギーを余すことなく発電機に伝えて発電機を効率良く稼働させ、発電効率を高めることができる。
【００２１】
また、本発明に係る波力発電装置は、上記構成において、前記ラックギヤが前記振動体側に設けられ、前記発電機が前記浮体側に設けられていることを特徴とする。
【００２２】
上記構成の波力発電装置によれば、浮体に対する振動体の振動ストロークの全長に亘ってピニオンギヤを転動させることができ、これによって振動体の往復運動エネルギーを有効に発電機に伝えることができる。
しかも、電気ケーブル類が接続される発電機が浮体側に設けられるので、上記電気ケーブル類が浮体に対して相対移動せず、これによって電気ケーブル類の保安性を保つとともに、電気ケーブル類を容易に接続できる。
【００２３】
また、本発明に係る波力発電装置は、上記構成において、前記ピニオンギヤの回転運動量から前記振動体の前記浮体に対する相対運動量を検知する相対運動量検知手段をさらに有することを特徴とする。
【００２４】
上記構成の波力発電装置によれば、振動体が浮体に対して往復直線運動すると、相対運動量検知手段において、ピニオンギヤの回転運動量から、浮体に対する振動体の相対運動量が検知される。
このため、この相対運動量のデータを参照することにより、振動体の振動周期等を容易且つ正確に検知することができ、振動体の振動周期を浮体の振動周期に共振させやすくなる。
【００２５】
また、本発明に係る波力発電装置は、上記構成において、前記制御手段は、前記浮体に対する前記振動体の上下動の振幅が所定量を超えた時に、前記発電機の出力回路に電気抵抗を付与することによって前記駆動軸に回転抵抗を付与することを特徴とする。
【００２６】
上記構成の波力発電装置によれば、例えば暴風雨等の波の荒い天候下において振動体の上下動の振幅が所定量を超えると、制御手段によって発電機の出力回路に電気抵抗が付与され、これによって発電機の主軸を回転させるのに大きな力が必要となる。
このため、振動体の往復運動にブレーキが掛かり、振動体の往復スピードや往復ストロークが小さくなって、暴風雨時に振動体が揺れ過ぎることによる破損や寿命の短縮等が防止される。
【００２７】
また、本発明に係る波力発電装置は、上記構成において、前記空気バネは、繊維とゴムの複合材を用いたローリングシールを備えていることを特徴とする。
【００２８】
上記構成の波力発電装置によれば、波力発電装置の空気バネを簡素で耐久性の高い構造にし、信頼性を高めることができる。
【発明の効果】
【００２９】
以上のように、本発明に係る波力発電装置によれば、振動体を空気バネで支持することにより、振動体の高重量化を実現可能にし、発電効率を向上させることができる。また、波力発電装置の構造を簡素化して耐久性と信頼性を高め、併せて暴風雨時における破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】波力発電装置の係留例を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す波力発電装置の内部構造を示した縦断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿う波力発電装置の横断面図である。
【図４】図２のIV部拡大図である。
【図５】波力発電装置の制御系統を概略的に示すブロック図である。
【図６】波力発電装置の制御の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る波力発電装置の係留例を示す図であり、図２は波力発電装置の内部構造を示した縦断面図である。
【００３２】
この波力発電装置１は、海面２上に上部が露出した状態で浮かぶ円筒状の浮体３を備えている。この浮体３の全長としては１０ｍ前後を例示することができる。浮体３は、例えば三方からワイヤーロープ４で係留される。３本のワイヤーロープ４の先端部には海底に沈むアンカーウェイト５が連結され、中間部には浮き６が設けられている。各ワイヤーロープ４は浮体３の重心点付近の高さに連結するのが好ましい。
【００３３】
このように係留することにより、波力発電装置１は波を受けても主に上下にのみ揺動し、その縦軸が傾くような姿勢変化を起こさなくなる。このため、後述するように波の周期に浮体３を共振させて上下に振動（揺動）させる時に大きな揺動エネルギーを発生させて発電効率を高めることができる。なお、ワイヤーロープ４の１本には波力発電装置１から延びる発電機の出力ケーブル７が巻き付けられている。
【００３４】
図２に示すように、波力発電装置１の浮体３は、例えばその上部に外径の大きい大径部３ａを有し、この大径部３ａより外径の小さい外筒部３ｂが大径部３ａの底面から下方に延びた形状である。外筒部３ｂの底部には、波力発電装置１の姿勢を安定させるための下部錘１０が設けられている。また、外筒部３ｂの内側には同心筒状の内筒部３ｃが設けられている。この内筒部３ｃは、大径部３ａの天井面から下方に向かって延び、外筒部３ｂの底面（下部錘１０）よりも高い位置で径方向内側に折り返されて上方に立ちあがる折り返し部３ｄが形成されている。
【００３５】
大径部３ａの内部には水室１２が形成されている。この水室１２は、大径部３ａの底面から天井面側に延びて大径部３ａの側面に内接する内壁３ｅに囲まれて形成されている。一例として、外筒部３ｂを大径部３ａの底面よりも高く、且つ大径部３ａの天井面に至らない位置まで延ばして内壁３ｅを形成し、大径部３ａの側面と接続させて、大径部３ａの外周面と外筒部３ｂとの間に密閉された環状の水室１２を形成することができる。
【００３６】
水室１２には、外水を注水する注水バルブ１３（注水手段）と、水室１２に注水された外水を排水する排水ポンプ１４（排水手段）とが設けられている。排水ポンプ１４として好適なのは電力を必要としない水撃ポンプである。排水ポンプ１４からは排水管１５（排水手段）が上方に延びており、排水ポンプ１４が作動すると水室１２に注水された外水が海面２よりも高い位置から外部に排水されるようになっている。注水バルブ１３と排水ポンプ１４は後述する制御装置４３によって制御される。
【００３７】
そして、水室１２と、注水バルブ１３と、排水ポンプ１４と、排水管１５とによって、浮体３の質量を可変させる浮体質量可変部１６（浮体質量可変手段）が構成されている。即ち、注水バルブ１３が開かれて水室１２に外水が注水されると浮体３の質量が大きくなり、排水ポンプ１４が作動して水室１２に注水された外水が排水されると浮体３の質量が小さくなる。
【００３８】
一方、内筒部３ｃの内側には振動体２０が設けられている。この振動体２０は、内筒部３ｃの内部で鉛直方向に往復直線運動が可能である。振動体２０は、例えば底部が開放された円筒形状であり、その天井部に共振錘２１が設けられている。共振錘２１の重量としては１０トン前後を例示することができる。振動体２０の外周壁２０ａは内筒部３ｃの折り返し部３ｄの中に入って行くようになっており、外周壁２０ａの内周面と折り返し部３ｄの外周面との間にローリングシール２２が介装されている。
ローリングシール２２は、布等の繊維とゴムの複合材、またはＵ字断面形状のゴムや軟質樹脂の膜であり、折り返し部３ｄに対する振動体２０の相対位置に拘わらず、折り返し部３ｄと振動体２０との間を気密的にシールする。
【００３９】
そして、外筒部３ｂの内側の空間と振動体２０の内側の空間（ローリングシール２２までの空間）とが連通して主空気室２４が形成されており、振動体２０が可動ピストンとなって、浮体３と振動体２０との間に空気バネ２５が構成されている。この空気バネ２５により、振動体２０が浮体３に対して上下に振動可能に弾性支持される。
【００４０】
図３にも示すように、例えば大径部３ａの外周面と内筒部３ｃとの間、且つ大径部３ａの天井部に環状の副空気室２８が形成されている。この副空気室２８と主空気室２４との間は水平隔壁２９によって隔てられている。また、副空気室２８は９０°間隔で４枚設けられた垂直隔壁３０によって４つの部屋に仕切られている。
【００４１】
水平隔壁２９には、副空気室２８を主空気室２４に対して連通または遮断させるダンパー３１（バルブ手段）が設けられている。このダンパー３１は、例えば１つの副空気室２８当たりに２つ設けられており、各々がアクチュエータ３２によって開閉される。アクチュエータ３２は後述する制御装置４３によって開閉制御される。
【００４２】
そして、副空気室２８と、ダンパー３１とによって、空気バネ２５のバネ定数を可変させるバネ定数可変部３３（バネ定数可変手段）が構成されている。即ち、４つの部屋に仕切られた副空気室２８の各々に設けられたダンパー３１が開く数が増えるにしたがって、主空気室２４に連通する副空気室２８の数が増えてゆき、主空気室２４の容量が大きくなって空気バネ２５のバネ定数が小さくなる。また、全てのダンパー３１が閉じると主空気室２４の容量が小さくなって空気バネ２５のバネ定数が最大になる。
【００４３】
さらに、浮体３の内部における振動体２０の振動エネルギーを電力に変換する発電部３５（発電手段）が設けられている。この発電部３５は、図４に示すように、振動体２０の外周壁２０ａの外周面に設けられて鉛直方向に延びるラックギヤ３６と、内筒部３ｃの内周面に設けられた回転駆動型の発電機３７と、この発電機３７の駆動軸３８に設けられてラックギヤ３６に噛み合うピニオンギヤ３９とを備えて構成されている。本実施形態では発電部３５が２組設置されているが、この設置数は適宜変更してよい。発電信号、位置信号、ブレーキ信号等を伝達する電気ケーブル類４０は、発電機３７と下記の制御装置４３とを接続するように配線されている。
【００４４】
また、浮体３の鉛直方向の振動周期を検知する加速度センサ４２（浮体振動周期検知手段）と、制御装置４３（ＣＰＵ：制御手段）とが、例えば浮体３の内部上方に設けられている。
図５は、波力発電装置１の制御系統を概略的に示すブロック図である。制御装置４３には、注水バルブ１３と、排水ポンプ１４と、バネ定数可変部３３のダンパー３１を開閉するアクチュエータ３２と、加速度センサ４２と、発電部３５の発電機３７とが接続されている。
【００４５】
以上のように構成された波力発電装置１において、海面２に浮かぶ浮体３が波を受けて上下に揺動し、その内部でさらに振動体２０が上下に振動すると、浮体３と振動体２０が互いに逆方向に動く。このため、振動体２０側に設けられたラックギヤ３６が浮体３側に設けられたピニオンギヤ３９を回転駆動し、発電機３７を回転させて発電を行わせる。このようにして振動体２０の振動エネルギーが電力に変換される。
【００４６】
制御装置４３は、発電効率を高めるために、加速度センサ４２からの入力に基づき、浮体３の振動周期が海面２の波の周期に共振するように浮体質量可変部１６を制御するとともに、振動体２０の振動周期が浮体３の振動周期に共振するようにバネ定数可変部３３を制御する。この制御の流れを図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００４７】
この制御のスタート後、まず加速度センサ４２により、波を受けて上下に振動（揺動）する浮体２の振動が検知される（ステップＳ１）。次に、制御装置４３が浮体２の振動周期Ｆ１を演算する（ステップＳ２）。そして、制御手段４３は、演算された振動周期Ｆ１が波の周期に近似するように、浮体３の質量を調整する（ステップＳ３）。即ち、浮体３の質量を大きくする場合には浮体質量可変部１６の注水バルブ１３を開いて水室１２に外水を注水し、浮体３の質量を小さくする場合には排水ポンプ１４を作動させて水室１２に注水された外水を排水する。
【００４８】
これにより、浮体３の振動周期が波の周期に近似し、浮体３は波の周期に共振して大きく上下に振動する。次に制御装置４３は、振動体２０の固有周期Ｆ２を浮体２の振動周期Ｆ１に近似させることができる空気バネ２５の総空気量を演算する（ステップＳ４）。そして、演算した総空気量を実現するために、空気バネ２５の主空気室２４に連通させなければならない副空気室２８の部屋数を演算し（ステップＳ５）、その演算結果に合わせてダンパー３１を開閉制御する（ステップＳ６）。
【００４９】
例えば、波高が高い時にはダンパー３１を多く開いて主空気室２４の容量を大きくし、振動体２０の振動周期Ｆ２を長くして振動体２０を大きい波の周期に共振させる。また、波高が低い時にはダンパー３１を閉じて主空気室２４の容量を小さくし、振動体２０の振動周期Ｆ２を短くして振動体２０を小さい波の周期に共振させる。その後、制御は元に戻る。この制御ルーティンは、所定の間隔（例えば３０分間隔）で繰り返し実行され、その都度、波の状況に応じて浮体３の振動周期Ｆ１と振動体２０の振動周期Ｆ２が演算される。
【００５０】
このように構成された波力発電装置１によれば、波高が高い波に対応して効率良く発電するべく、振動体２０（共振錘２１）の重量を例えば１０トン以上の高重量なものに設定したとしても、この振動体２０の重量を支えるのが空気バネ２５であるため、従来のコイルスプリングのように負荷応力が許容値を超えることがなく、実用に耐えることができる。
【００５１】
しかも、空気バネ２５は金属製のスプリングと異なり、長期間使用しても金属疲労によりバネ定数が変化することがないため、当初設計された振動体２０の振動周期や振動ストローク等が変化することがなく、発電効率を長期間に亘って良好に維持することができる。さらに、空気バネを採用することによって波力発電装置の内部構造を簡素化し、軽量化もできるため、波力発電装置１の耐久性と信頼性を高めることができる。
【００５２】
また、制御装置４３が、浮体質量可変部１６に浮体３の重量を調整させて波の周期に共振させるとともに、バネ定数可変部３３に空気バネ２５のバネ定数を可変させて振動体２０を浮体３の振動周期に共振させる制御を実行するため、波の周期に対して振動体２０の振動周期を最大限に大きくすることができる。したがって、振動体２０の運動エネルギーを発電部３５によって効率良く電力に変換することができる。
【００５３】
バネ定数可変部３３は、空気バネ２５の主空気室２４に連通可能な複数の副空気室２８と、これらの副空気室２８を主空気室２４に対して連通または遮断させるダンパー３１とを備えて構成され、制御装置４３によってダンパー３１のアクチュエータ３２が操作される構成であるため、非常に簡素で信頼性が高く、制御が容易な構成により、空気バネ２４のバネ定数を変更して振動体２０の振動周期Ｆ２を波の周期に共振させることができる。
【００５４】
一方、浮体質量可変部１６は、浮体３に設けられた水室１２と、この水室１２に外水を注水する注水バルブ１３と、水室１２に注水された外水を排水する排水ポンプ１４とを備えた構成であるため、簡素で信頼性の高い構成により、浮体３の質量を容易に変更可能にして、浮体３の振動周期Ｆ１を波の周期に共振させて発電効率を高めることができる。
【００５５】
一方、発電部３５は、振動体２０に設けられて鉛直方向に延びるラックギヤ３６と、浮体３に設けられた回転駆動型の発電機３７と、この発電機３７の駆動軸３８に設けられてラックギヤ３６に噛み合うピニオンギヤ３９と、を備えて構成されているため、浮体３に対する振動体２０の往復運動エネルギーをロスすることなく発電機３７に伝えて発電機３７を効率良く稼働させ、発電効率を高めることができる。
【００５６】
この発電部３５においては、ラックギヤ３６が振動体２０側に設けられ、発電機３７が浮体３側に設けられているので、浮体３に対する振動体２０の振動ストロークの全長に亘ってピニオンギヤ３９を転動させることができ、これによって振動体２０の往復運動エネルギーを有効に発電機に伝えることができる。
しかも、電気ケーブル類４０が接続する発電機３７が浮体３側に設けられるので、電気ケーブル類４０が浮体３に対して相対移動せず、これによって電気ケーブル類４０の保安性を保つとともに、電気ケーブル類４０の配線を容易にすることができる。
【００５７】
ところで、制御装置４３は、浮体３に対する振動体２０の上下動の振幅が所定量を超えた時に、振動体２０の固有振動数を浮体３の固有振動数に対して遠ざけるようにバネ定数可変部３３を制御する。例えば、暴風雨等の波の荒い天候下において振動体２０の上下動の振幅が所定量を超えると、バネ定数可変部３３が制御されることによって振動体２０の固有振動数が浮体３の固有振動数に対してずらされる。つまり、あえて振動体２０の振幅が小さくなるようにダンパー３１が開閉操作される。
これにより、暴風雨時に振動体２０が浮体３の内部で揺れ過ぎることによる破損や寿命の短縮等を防止することができる。
【００５８】
また、上記のような暴風雨時における破損対策として、発電機３７の出力回路に電気抵抗（ブレーキ信号）を付与することによって駆動軸３８に回転抵抗を付与する制御を制御装置４３に実行させてもよい。電気抵抗を大きくするほど駆動軸３８の回転抵抗も大きくなる。
【００５９】
この場合、暴風雨時に振動体２０の上下動の振幅が所定量を超えると、制御装置４３によって発電機３７の出力回路に電気抵抗が付与され、これによって発電機３７の駆動軸３８を回転させるのに大きな力が必要となる。したがって、振動体２０の往復運動にブレーキが掛かり、振動体２０の往復スピードや往復ストロークが小さくなって、振動体２０が揺れ過ぎることによる破損や寿命の短縮等が防止される。同時に、機械的なブレーキ機構あるいはロック機構を作動させて振動体２０の振動を規制するようにしてもよい。また、ブレーキ機構を作動させると同時に回生発電を行うことも考えられる。
【００６０】
ところで、発電装置３５がラックギヤ３６とピニオンギヤ３９を用いて回転駆動型の発電機３７を駆動することを利用して、ピニオンギヤ３９の回転運動量から、浮体３に対する振動体２０の相対運動量を検知する図示しない回転位置センサ（相対運動量検知手段）を設け、この回転位置センサで得た位置信号を制御装置４３に送り、制御手段４３に振動体２０の位置情報として参照させるようにしてもよい。
【００６１】
これにより、振動体２０の振動周期Ｆ２等を容易且つ正確に検知することができ、振動体２０の振動周期Ｆ２を浮体３の振動周期Ｆ１に共振させやすくなる。
【００６２】
また、この波力発電装置１は、空気バネ２５を構成する振動体２０を浮体３に対して上下動可能に保ちながら主空気室２４を気密的にシールするために、浮体３と振動体２０との間にローリングシール２２を用いているため、空気バネ２５を簡素で耐久性の高い構造にし、波力発電装置１の信頼性を高めることができる。
【００６３】
なお、本発明は上記実施形態の構成のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本発明の権利範囲に含まれるものとする。
【００６４】
例えば、上記実施形態では、複数の副空気室２８を選択的に主空気室２４に連通させることによって主空気室２４の容積、即ち空気バネ２５のバネ定数を段階的に変化させるように構成されているが、主空気室２４の容積を連続的に変化させる手段を講じることによって空気バネ２５のバネ定数を無段階に変化させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１  波力発電装置
２  海面
３  浮体
１２  水室
１３  注水バルブ（注水手段）
１４  排水ポンプ（排水手段）
１６  浮体質量可変部（浮体質量可変手段）
２０  振動体
２２  ローリングシール
２４  主空気室
２５  空気バネ
２８  副空気室
３１  ダンパー（バルブ手段）
３３  バネ定数可変部（バネ定数可変手段）
３５  発電部（発電手段）
３６  ラックギヤ
３７  発電機
３８  駆動軸
３９  ピニオンギヤ
４２  加速度センサ（浮体振動周期検知手段）
４３  制御装置（制御手段）
Ｆ１  浮体の振動周期
Ｆ２  振動体の振動周期
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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