(57)【要約】【課題】小さな波であっても、大きな発電量を出力することが可能な、発電効率の高い波力発電装置を提供する。【解決手段】下部から延びるワイヤ１２を介して海底の所定の位置に係留されて海面に浮遊するとともに、波力により動揺する浮体構造物２と、浮体構造物２に設けられて所定の水量を貯える水槽タンク３と、水槽タンク３の水量を制御する水量制御機構と、水槽タンク３内に設置された発電機ユニット４とを備え、発電機ユニット４は、水槽タンク３内の水のスロッシングにより生じた波力により上下運動するフロート４２と、フロート４２の上下運動により発電する発電機５０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部から延びるワイヤを介して海底の所定の位置に係留されて海面に浮遊するとともに、波力により動揺する浮体構造物と、前記浮体構造物に設けられて所定の水量を貯える水槽タンクと、前記水槽タンクの水量を制御する水量制御機構と、前記水槽タンク内に設置された発電機ユニットを備え、
前記発電機ユニットは、前記水槽タンク内の水のスロッシングにより生じた波力により上下運動するフロートと、前記フロートの上下運動により発電する発電機を備えることを特徴とする波力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の波力発電装置であって、
前記発電機ユニットは、前記フロートの上下方向の移動をガイドする支柱と、前記フロートに設置される永久磁石と前記支柱に設置された発電コイルとからなる前記発電機を備えることを特徴とする波力発電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の波力発電装置であって、
前記水量制御機構は、前記浮体構造物を動揺する波の波高を計測する波高計測手段と、前記水槽タンクに設けられたバルブと、前記バルブに連結され、前記水槽タンクの水を給排水するポンプ装置と、前記ポンプ装置を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする波力発電装置。
【請求項４】
請求項３に記載の波力発電装置であって、
前記浮体構造物は、略三角柱状に形成され、下方に向けて先細りとなる船底部と、前記船底部を密閉する平坦な甲板部とからなり、前記水槽タンクは、直方体に形成され、前記直方体の一辺が前記浮体構造物の長辺に対して垂直となるように、前記浮体構造物の重心に設けられることを特徴とする波力発電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の波力発電装置であって、
前記浮体構造物は、波の進行方向に対して前記浮体構造物の長辺が垂直となるように係留されることを特徴とする波力発電装置。
【請求項６】
請求項５に記載の波力発電装置であって、
前記浮体構造物は、前記船底部にフィンが設けられ、海水の流れが前記フィンを通ることによって、前記浮体構造物の長辺が前記海面の波の進行方向に対して垂直となるように調整されることを特徴とする波力発電装置。
【請求項７】
下部から延びるワイヤを介して海底の所定の位置に係留されて海面に浮遊するとともに、波力により動揺する浮体構造物と、前記浮体構造物に設けられて所定の水量を貯える水槽タンクと、前記水槽タンクの水量を制御する水量制御機構と、前記水槽タンク内に設置された発電機ユニットを備え、
前記発電機ユニットは、前記水槽タンク内の水のスロッシングにより生じた波力により上下運動するフロートと、前記フロートの上下運動により発電する発電機を備える波力発電装置の制御方法であって、
前記水量制御機構は、前記水槽タンクの水量を制御することにより、前記水槽タンク内の水のスロッシングの共振周波数を調整することを特徴とする波力発電装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波力を利用して発電する波力発電装置およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、海上または海水中にフロートを浮かべ、フロートが波から受けた外力を電気に変換して発電をおこなう可動物体型の波力発電装置がある。このような波力発電装置として、例えば、特許文献１に記載の波力発電装置がある。この波力発電装置は、図８に示すように、胴体１０３と、胴体１０３に沿って上下運動するフロート１０４と、フロート１０４の上下運動を回転運動に変換する伝達機構１０８と、伝達機構１０８に連結された発電機（モータ）１０５と、を有した構成となっている。この伝達機構１０８は、ボールねじ６とボールナット１０７の組み合わせで構成されている。胴体１０３は、係留ワイヤ１１１で海底に固定される浮体式、または海底から直立する着床式により設置される。
【０００３】
この波力発電装置１０１では、フロート１０４が波から外力を受けて上下運動することにより、フロート１０４に固定されたボールナット１０７が上下に移動する。ボールナット１０７の上下運動によりボールねじ１０６が回転し、ボールねじ１０６に連結された発電機１０５に回転運動を伝達する。これにより、波力発電装置１０１は、波力により発電機１０５のローターを回転させて発電をおこなうことができる。このような波力発電装置の発電量は、取り込む波力エネルギーに比例しており、この波力エネルギーは波高の２乗に比例することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１３７０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、世界の波力エネルギーの資源量は、８０００〜８００００ＴＷＨ／年とされている。地域分布では、欧州周辺で５０〜７０ｋＷ／ｍ、米国（ハワイ）で１００ｋＷ／ｍ、日本近海は、１２〜１８ｋＷ／ｍとされている。このように、日本近海の単位長さ当りの波力エネルギーの平均値は欧米などに比べてかなり低く、波力発電装置は日本近海において大きな発電量を出力することが期待できないという問題がある。このため、日本近海の小さな波であっても、欧米並みに大きな発電量を出力することが可能な、発電効率の高い波力発電装置が必要とされている。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、小さな波であっても、大きな発電量を出力することが可能な、発電効率の高い波力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係わる発明は、下部から延びるワイヤを介して海底の所定の位置に係留されて海面に浮遊するとともに、波力により動揺する浮体構造物と、前記浮体構造物に設けられて所定の水量を貯える水槽タンクと、前記水槽タンクの水量を制御する水量制御機構と、前記水槽タンク内に設置された発電機ユニットを備え、前記発電機ユニットは、前記水槽タンク内の水のスロッシングにより生じた波力により上下運動するフロートと、前記フロートの上下運動により発電する発電機を備えることを特徴とする。
【０００８】
上記のように構成した請求項１の発明によれば、波力により浮体構造物が動揺すると、水槽タンクも動揺し、この動揺の周期に対応して水槽タンク内の水がスロッシングする。水槽タンク内の水のスロッシングにより生じた波力により、水槽タンク内に設置された発電機ユニットのフロートが上下運動する。発電機は上下運動するフロートにより駆動され発電することができる。ことのき、浮体構造物を動揺する波力が小さくても、水槽タンク内にはスロッシングによる大きな波力を生じさせることができるので、海に直接発電機ユニットを設置した場合よりも、大きな発電量を出力することができる。
【０００９】
請求項２に係わる発明は、請求項１に記載の波力発電装置であって、前記発電機ユニットは、前記フロートの上下方向の移動をガイドする支柱と、前記フロートに設置される永久磁石と前記支柱に設置された発電コイルとからなる前記発電機を備えることを特徴とする。
【００１０】
上記のように構成した請求項２の発明によれば、発電機ユニットは、支柱にガイドされたフロートが、水槽タンク内の波面に沿って上下運動することにより発電することができる。この発電機ユニットは、フロートの上下運動のストロークの大きさに合わせて発電量が大きくなるので、水槽タンク内を波高にすることにより、フロートの上下運動のストロークを大きして、発電効率を高くすることができる。
【００１１】
請求項３に係わる発明は、請求項２に記載の波力発電装置であって、前記水量制御機構は、前記浮体構造物を動揺する波の波高を計測する波高計測手段と、前記水槽タンクに設けられたバルブと、前記バルブに連結され、前記水槽タンクの水を給排水するポンプ装置と、前記ポンプ装置を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
上記のように構成した請求項３の発明によれば、水量制御機構は、波高計測手段により浮体構造物を動揺する波の波高を計測し、この波高から周期を推定する。そして、この周期からスロッシングに必要な水槽タンクの水深を求めることができる。さらに、水槽タンクのバルブを開け、制御装置によりポンプ装置を駆動して、給排水することにより水槽タンクの水量を制御して、所定の水深とすることができる。
【００１３】
請求項４に係わる発明は、請求項３に記載の波力発電装置であって、前記浮体構造物は、略三角柱状に形成され、下方に向けて先細りとなる船底部と、前記船底部を密閉する平坦な甲板部とからなり、前記水槽タンクは、直方体に形成され、前記直方体の一辺が前記浮体構造物の長辺に対して垂直となるように、前記浮体構造物の重心に設けられることを特徴とする。
【００１４】
上記のように構成した請求項４の発明によれば、浮体構造物は、安定した船底部と、重心に設けられた水槽タンクを備えているので、水槽タンクを動揺可能に海面に浮遊することができる。したがって、安定した波力発電装置の運用が可能である。
【００１５】
請求項５に係わる発明は、請求項４に記載の波力発電装置であって、前記浮体構造物は、波の進行方向に対して前記浮体構造物の長辺が垂直となるように係留されることを特徴とする。
【００１６】
上記のように構成した請求項５の発明によれば、浮体構造物は、波の進行方向に対して浮体構造物の長辺が垂直となるように係留されるので、小さな波でも確実に動揺させることができる。
【００１７】
請求項６に係わる発明は、請求項５に記載の波力発電装置であって、前記浮体構造物は、前記船底部にフィンが設けられ、海水の流れが前記フィンを通ることによって、前記浮体構造物の長辺が前記海面の波の進行方向に対して垂直となるように調整されることを特徴とする。
【００１８】
上記のように構成した請求項６の発明によれば、海水の流れがフィンを通ることによって、浮体構造物が波の進行方向に対して垂直となるので、海水の流れが変化しても確実に浮体構造物を動揺させることができる。
【００１９】
請求項７に係わる発明は、下部から延びるワイヤを介して海底の所定の位置に係留されて海面に浮遊するとともに、波力により動揺する浮体構造物と、前記浮体構造物に設けられて所定の水量を貯える水槽タンクと、前記水槽タンクの水量を制御する水量制御機構と、前記水槽タンク内に設置された発電機ユニットを備え、前記発電機ユニットは、前記水槽タンク内の水のスロッシングにより生じた波力により上下運動するフロートと、前記フロートの上下運動により発電する発電機を備える波力発電装置の制御方法であって、前記水量制御機構は、前記水槽タンクの水量を制御することにより、前記水槽タンク内の水のスロッシングの共振周波数を調整することを特徴とする波力発電装置の制御方法。
【００２０】
上記のように構成した請求項７の発明によれば、水量制御機構により、水槽タンクの水量を制御して、水槽タンクの水深を調整することにより、水槽タンク内の水のスロッシングの共振周波数を調整することができる。浮体構造物を動揺する波と共振するように、水槽タンクの水のスロッシングの共振周波数を調整することにより、水槽タンク内の波高を大きくすることができる。これにより、発電機ユニットのフロートの上下運動のストロークを大きして、発電効率を高くすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、小さな波であっても、大きな発電量を出力することが可能な、発電効率の高い波力発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係わる波力発電装置の概略図である。
【図２】図１の波力発電装置の側面図である。
【図３】図１の水槽タンクの構成と発電機ユニットの動作を示す説明図である。
【図４】図１の発電機ユニットの構成を示す説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係わる波力発電装置の制御方法の概略フローである。
【図６】矩形水槽における水深と共振周期との関係を示すグラフである。
【図７】波高シミュレーションの結果を示すグラフである。
【図８】従来の波力発電装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態に係わる波力発電装置を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、波力発電装置１は、浮体構造物２と、浮体構造物２に設けられた水槽タンク３と、水槽タンク３内に設置された発電機ユニット４とを備える。
【００２４】
浮体構造物２は、略三角柱状に形成され、下方に向けて先細りとなる船底部２３と、船底部２３を密閉する平坦な甲板部２１とからなる。船底部２３の長手方向の両端には、連結部１３が形成されている。連結部１３には、係留ワイヤ１２が連結され、係留ワイヤ１２の端部には、アンカー１１が取り付けられる。浮体構造物２は、アンカー１１と下部から延びる係留ワイヤ１２を介して海底の所定の位置に係留される。詳細には、波の進行方向Ｆに対して浮体構造物２の長辺が垂直となるように係留される。
【００２５】
図２に示すように、浮体構造物２は、船底部２３にフィン２４が設けられている。浮体構造物２は、海水の流れがフィン２４を通ることによって、長辺が海面Ｓの波の進行方向Ｆに対して垂直となるように調整される。このように、波力発電装置１は、海面Ｓに浮遊するとともに、常に進行方向Ｆの波を受けて動揺するに構成されている。
【００２６】
図１に示すように、水槽タンク３は、水密性を備えた壁面により直方体に形成され、内部に所定の水量を貯えることができるように構成されている。水槽タンク３は、直方体の一辺が浮体構造物２の長辺に対して垂直となるように、支持部材２２を介して甲板部２１に配置される。水槽タンク３は、浮体構造物２の重心に配置されることで、バランスを有した状態で動揺する。
【００２７】
図３に示すように、水槽タンク３の内部には所定の水量が貯えられ、発電機ユニット４が長手方向の両端に配置されている。この水槽タンク３内の水は、浮体構造物２の動揺にともない水面が大きく揺れる（スロッシングする）。また、水槽タンク３には、バルブ５１と、バルブ５１に連結され、水槽タンク３の水を給排水するポンプ装置５２と、ポンプ装置５２を制御する制御装置５３を備える。
【００２８】
図４に示すように、発電機ユニット４は、円環状に形成されたフロート４２と、フロート４２の移動をガイドする円柱状に形成された支柱４１と、リニア式発電機５０を備える。支柱４１は、水槽タンク３の壁面と同程度の高さを有し、台座４９により水槽タンク３の底面に固定されている。また、支柱４１の上端には、フロート４２が支柱４１から外れるのを防ぐストッパ４８を備える。フロート４２は、支柱４１の外周に所定の隙間を介して嵌合しており、波面Ｗに沿って上下方向に移動可能に、支柱４１にガイドされている。
【００２９】
リニア式発電機５０は、フロート４２の内周面に設置されたリング状の永久磁石４３と、支柱４１の外周面に設置された発電コイル４４を備える。このリニア式発電機５０は、波面Ｗに沿って上下運動するフロート４２の永久磁石４３の磁束が、支柱４１の外側面に設置された発電コイル４４を横切ることにより発電する。
【００３０】
次に、上記のように構成された波力発電装置１の動作について説明する。
波力発電装置１は、アンカー１１と下部から延びる係留ワイヤ１２を介して海底の所定の位置に係留されて海面Ｓに浮遊している。また、波の進行方向Ｆに対して浮体構造物２の長辺が垂直となるように係留される。さらに、浮体構造物２の船底部２３には、フィン２４が設けられているので、海水の流れがフィン２４を通ることによって、浮体構造物２が波の進行方向Ｆに対して垂直となる。したがって、波力発電装置１は、海水の流れが変化しても、常に進行方向Ｆの波を受けるので、確実に浮体構造物２を動揺させることができる。
【００３１】
波力により動揺する浮体構造物２は、同時に水槽タンク３を動揺させる。内部に所定の水量を貯えた水槽タンク３は、動揺することにより水槽タンク３内にスロッシングが生じる。このとき、波力発電装置１は、水槽タンク３の水のスロッシングが、浮体構造物２を動揺する波と共振するように制御する。
【００３２】
ここで、直方体に形成された水槽タンク３は、水槽タンク３内の水のスロッシングにおいて、他の形状の水槽タンクよりも、水深範囲に対する共振周期の幅が大きく、水槽タンクの動揺の周期と共振させやすい。また、水槽タンク３内の長手方向の両端に配置された発電機ユニット４は、水槽タンク３内の水のスロッシングに影響を与えない。
【００３３】
次に、波力発電装置１の浮体構造物２の動揺と、水槽タンク３内の水のスロッシングとの共振について説明する。
海面Ｓの波の周期をＴ０（ｓｅｃ）、海面Ｓの波による浮体構造物２および水槽タンク３の動揺の周期をＴ’（ｓｅｃ）とし、Ｔ’＝Ｔ０とする。水槽タンク３内の波の周期をＴ１（ｓｅｃ）とすると、Ｔ０＝Ｔ１のときに水槽タンク内の水のスロッシングが共振することが知られている。この共振周波数ｆ（Ｈｚ）は、周期Ｔ１の逆数であり、以下の式によって表すことができる。
【数１】
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ここで、ｇは重力加速度（９．８ｍ／ｓｅｃ２）、πは円周率、Ｈは水槽タンク内の水深（ｍ）、Ｌは水槽タンクの幅（ｍ）を示す。
【００３４】
波高シミュレーションによれば、図７に示すように、海面の波が振幅±０．５（ｍ）、周期Ｔ０が６（ｓｅｃ）程度の小さな波であっても、共振から１５（ｓｅｃ）程度で、波高７．５（ｍ）を見込むことができる。
【００３５】
次に、上記のように構成された波力発電装置１の制御方法について説明する。
図５に、波力発電装置１の制御方法の概略フローを示す。まず、波力発電装置１の水量制御機構は、波高計測手段である波高計等の外部センサにより浮体構造物２を動揺する波の波高ｚを計測する（波高計測ステップＳ０１）。この波高計測ステップは、連続かつ継続的におこなわれることが望ましい。
【００３６】
次に、水量制御機構は、計測した波高ｚから浮体構造物２を動揺する波の周期Ｔ０を推定する（周期推定ステップＳ０２）。ここで、水槽タンク３の動揺の周期Ｔ’＝Ｔ０と見なす。水槽タンク３内の水のスロッシングを、浮体構造物２を動揺する波と共振させるには、水槽タンク３内の波の周期Ｔ１を、浮体構造物２を動揺する波の周期Ｔ０と同じにする。
【００３７】
次に、水量制御機構は、周期Ｔ１と、あらかじめ記憶している、図６の矩形水槽における水深と共振周期との関係を示すグラフに対応するデータテーブルから、この波の周期Ｔ１に対応する水槽タンク３の水深Ｈ１を決定する（水深決定ステップＳ０３）。
【００３８】
次に、水量制御機構は、図３のバルブ５１を開けて、制御装置５３により、ポンプ装置５２を駆動して、水槽タンク３の水を給排水することにより、水深Ｈ１となるように水槽タンク３内の水量を制御する。そして、水槽タンク３内の水の水深がＨ１となったところでバルブ５１を閉める。（水量制御ステップＳ０４）。水槽タンク３の水深をＨ１とすることにより、水槽タンク３内の波の周期はＴ１となり、浮体構造物２を動揺する波と水槽タンク３内のスロッシングとの共振が始まる。
【００３９】
以上を繰り返して、波力発電装置１は、水槽タンク内の水のスロッシングが、浮体構造物２を動揺する波と共振するように制御する。この共振により、水槽タンク３内は波高が大きくなり、水槽タンク３内に設置された発電機ユニット４のフロート４２は、波面Ｗに沿って大きく上下運動する。
【００４０】
上記のように構成された波力発電装置１によれば、日本近海の小さな波であっても、水槽タンク３内のスロッシングと共振させて、発電機ユニット４の設置された水槽タンク３内の波高を大きくすることにより、大きな発電量を出力することができる。
【００４１】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で適宜変更することが可能である。例えば上記実施形態では、発電ユニットとしてリニア式発電機を使用しているが、他の可動物体型の発電ユニットを使用することもできる。本発明は、発電ユニットの設置された水槽タンクの波高を大きくすることにより、波力エネルギーを大きくすることができるので、大きな発電量の出力が期待できる。
【００４２】
また、上記実施形態では、過剰なスロッシングにより生じた、リニア式発電機のストロークを超える波高は、発電に寄与することなく、波力エネルギーのロスとなる。または発電機ユニットを破損させる場合がある。この対策として、水槽タンクに緊急用の扉を設け、水量を短時間で変化させて共振周期を調整するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１：波力発電装置、  ２：浮体構造物、  ３：水槽タンク、  ４：発電機ユニット、
１１：アンカー、  １２：係留ワイヤ、  １３：連結部、２１：甲板部、
２２：支持部、  ２３：船底部、  ２４：フィン、  ２５：補強リブ、
４１：支柱、  ４２：フロート、  ４３：永久磁石、  ４４：発電コイル、
４５：外周部、  ４６：内周面、  ４８：ストッパ、  ４９：台座、
５０：リニア式発電機、  ５１：バルブ、  ５２：ポンプ装置、  ５３：制御装置、
Ｆ：波の進行方向、  Ｓ：海面、  Ｗ：水槽タンク内の波
【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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【図７】
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【図８】
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