(57)【要約】  海洋波力発電装置は、浮体（２）と、浮体（２）に固定されている発電機（３）と、水車（４）とを含むものであって、さらに水流加速器（５）を含み、水流加速器（５）と浮体（２）との間には、浮体（２）及び水流加速器（５）に対して回転可能な回転軸（１）が設けられ、回転軸（１）の上端部が浮体（２）を挿通して発電機（３）の回転子に連結され、回転軸（１）の下端部が水流加速器（５）を挿通して水車（４）に固定連結され、水流加速器（５）には、高速水流を形成して水車（４）を一方向に回転させるように推し回すための水流通路（５１）が設けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮体（２）と、浮体（２）に固定された発電機（３）と、水車（４）とを含む海洋波力発電装置であって、
さらに水流加速器（５）を含み、前記水流加速器（５）と前記浮体（２）との間には、浮体（２）及び水流加速器（５）に対して回転可能な回転軸（１）が設けられ、回転軸（１）の上端部が浮体（２）を挿通して前記発電機（３）の回転子に連結され、前記回転軸（１）の下端部が前記水流加速器（５）を挿通して前記水車（４）に固定連結され、前記水流加速器（５）には、高速水流を形成して水車（４）を一方向に回転させるように推し回すための水流通路（５１）が設けられていることを特徴とする海洋波力発電装置。
【請求項２】
前記水流通路（５１）は、螺旋状をなし、その断面積が入水端から出水端に向けて漸減することを特徴とする請求項１に記載の海洋波力発電装置。
【請求項３】
前記水流加速器（５）は、前記水車（４）の上方に位置し、水流通路（５１）の入水端において水流加速器（５）の上端面には入水口（５２）が形成され、水流通路（５１）の出水端において水流加速器（５）の下端面には出水口（５３）が形成され、出水口（５３）が前記水流加速器（５）の中心からずれており、前記入水口（５２）の面積が前記出水口（５３）の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の海洋波力発電装置。
【請求項４】
前記水車（４）の下方にさらに第２水流加速器（６）が設けられ、前記回転軸（１）の下端が下に延伸して第２水流加速器（６）を挿通し、第２水流加速器（６）には、高速水流を形成して前記水車（４）を同じ方向に回転させるように押し回すための通路（６１）が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の海洋波力発電装置。
【請求項５】
前記通路（６１）は、螺旋状をなし、その断面積が入水端から出水端に向けて漸減し、通路（６１）の入水端において第２水流加速器（６）の上端面には第２入水口（６２）が形成され、通路（６１）の出水端において第２水流加速器（６）の下端面には第２出水口（６３）が形成され、第２出水口（６３）は前記第２水流加速器（６）の中心からずれており、前記第２入水口（６２）の面積が前記出水口（６３）の面積よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の海洋波力発電装置。
【請求項６】
前記回転軸（１）は、前記水流加速器（５）及び第２水流加速器（６）にそれぞれ回転可能に接続され、回転軸（１）には、水流加速器（５）及び第２水流加速器（６）の軸方向における移動を防止するための位置決めフランジ（１１）が設けられ、水流加速器（５）及び第２水流加速器（６）の外周にはこれらの回転を防止する垂直バッフルプレート（６４）がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項５に記載の海洋波力発電装置。
【請求項７】
前記浮体（２）の下方には上方に向けて開口する貯水器（８）が設けられ、貯水器（８）が浮体（２）に固定接続され、貯水器（８）の外周に垂直板（８１）が設けられ、前記回転軸（１）は前記水流加速器（５）及び第２水流加速器（６）を貫通し、水流加速器（５）及び第２水流加速器（６）は接続片（７）により前記貯水器（８）に固定連結されていることを特徴とする請求項５に記載の海洋波力発電装置。
【請求項８】
前記浮体（２）は、水面に浮かれるものであって、上挟持板（２１）と、下挟持板（２３）と、上挟持板（２１）と下挟持板（２３）との間に固定された浮盤（２２）とを含み、上挟持板（２１）、下挟持板（２３）及び浮盤（２２）は一体に固定接続され、下挟持板（２３）の下側に複数枚の接続板（２４）が設けられ、接続板（２４）の下端が前記貯水器（８）の底部に固定連結されていることを特徴とする請求項７に記載の海洋波力発電装置。
【請求項９】
前記水車（４）には複数の羽根（４１）が設けられ、前記羽根（４１）は、平滑な円弧状片であり、前記水車（４）の外周に沿って均一に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の海洋波力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海洋波力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
海水による発電は、汚染がなく且つ燃料の消費もないという利点がある。そのため、どのように海水の波力を利用して発電するかは、世界各国の海洋工程研究者の研究テーマになっている。わが国は、約１８０００キロメートルの大陸海岸線を有し、さらにたくさんの島を有しており、海洋のエネルギー資源がとても豊富である。可燃エネルギー資源の減少に伴い、海洋発電技術の研究及び発展は意義深いことである。
【０００３】
海洋における波力発電とは、波力発電装置により波の運動エネルギーを電気エネルギーに変換することである。波力発電装置は、波のエネルギーを効率的に吸収できるようにその運転形態が波の上下振動特性に基づいて設計され、安定的な運動メカニズムによって運動エネルギーを取得して発電を行う。波が不安定であることから、従来の発電設備の一つとして、海底（ｓｅａｂｅｄ）に設けられるものが知られている。しかし、このような発電設備は、その構造が複雑で、海水による腐食及び波の侵入によって破壊され、使用寿命が短く、施工及びメンテナンスのコストが高いなどの問題がある。また、別の従来発電設備として、海面に浮かれるものが知られている。このような発電設備は、一般的に、水車により発電機の回転子を正方向と逆方向との間で切り替えながら回転させるように駆動することで発電を行う。この場合、発電機の回転子の変向において多くのエネルギーが無駄に消耗されるため、変換効率が低い。また、水車が伝達装置を介してモータの回転子に直接連結されているため、水車の回転スピードが波力の大きさに厳しく制限される。そのため、変換効率を向上させるためには、通常、水車を大きくしなければならない。そうすると、水車と協調する構造が大きくなり、コストが増加し、波力発電の発展に好ましくない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、動力設備が海水面以下に設けられ、発電設備が海水面に浮かれるように形成された、高発電効率を有する海洋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】
【０００５】
上記の目的を実現するために、本発明は、以下のように構成する。
海洋波力発電装置は、浮体と、浮体に固定された発電機と、水車とを含むものであって、さらに水流加速器を含み、前記水流加速器と前記浮体との間には、浮体及び水流加速器に対して回転可能な回転軸が設けられ、回転軸の上端が浮体を挿通して前記発電機の回転子に連結され、前記回転軸の下端が前記水流加速器を挿通して前記水車に固定連結され、前記水流加速器には、高速水流を形成して水車を一方向に回転させるように推し回すための水流通路が設けられていることを特徴とする。
【０００６】
上記のような海洋波力発電装置において、前記水流通路は、螺旋状をなし、その断面積が入水端から出水端に向けて漸減することを特徴とする。
上記のような海洋波力発電装置において、前記水流加速器は、前記水車の上方に位置し、水流通路の入水端において水流加速器の上端面には入水口が形成され、水流通路の出水端において水流加速器の下端面には出水口が形成され、出水口が前記水流加速器の中心からずれており、前記入水口の面積が前記出水口の面積よりも大きいことを特徴とする。
【０００７】
上記のような海洋波力発電装置において、前記水車の下方にさらに第２水流加速器が設けられ、前記回転軸の下端が下に延伸して第２水流加速器を挿通し、第２水流加速器には、高速水流を形成して前記水車を同じ方向に回転させるように押し回すための通路が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
上記のような海洋波力発電装置において、前記通路は、螺旋状をなし、その断面積が入水端から出水端に向けて漸減し、通路の入水端において第２水流加速器の上端面には第２入水口が形成され、通路の出水端において第２水流加速器の下端面には第２出水口が形成され、第２出水口は前記第２水流加速器の中心からずれており、前記第２入水口の面積が前記出水口の面積よりも大きいことを特徴とする。
【０００９】
上記のような海洋波力発電装置において、前記回転軸は、前記水流加速器及び第２水流加速器にそれぞれ回転可能に接続され、回転軸には、水流加速器及び第２水流加速器の軸方向における移動を防止するための位置決めフランジが設けられ、水流加速器及び第２水流加速器の外周にはこれらの回転を防止する垂直バッフルプレートがそれぞれ設けられていることを特徴とする。
【００１０】
上記のような海洋波力発電装置において、前記浮体の下方には上方に向けて開口された貯水器が設けられ、貯水器と浮体とが固定接続され、貯水器の外周に垂直板が設けられ、前記回転軸は前記水流加速器及び第２水流加速器を貫通し、水流加速器及び第２水流加速器は接続片により前記貯水器に固定連結されていることを特徴とする。
【００１１】
上記のような海洋波力発電装置において、前記浮体は、水面に浮かれるのであって、上挟持板と、下挟持板と、上挟持板と下挟持板との間に固定された浮盤とを含み、上挟持板、下挟持板及び浮盤は一体に固定接続され、下挟持板の下側に複数枚の接続板が設けられ、接続板の下端が前記貯水器の底部に固定連結されていることを特徴とする。
【００１２】
上記のような海洋波力発電装置において、前記水車には複数の羽根が設けられ、前記羽根は、平滑な円弧状片であり、前記水車の外周に沿って均一に配置されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、以下のような効果が得られる。
１、回転軸に水車が固定されており、該水車が波浪の波動に従って上昇する場合、水車の上方に位置する水流加速器において形成される下向けの高速水流によって水車を時計方向に回転させることとした。また、水車が波に従って下降する場合、水車の下方に位置する第２水流加速器において形成される上向けの高速水流によって水車を上記と同じ方向に回転させる。これにより、水車の上昇時及び下降時の回転方向の不一致によるエネルギーの損失を回避できる。水流加速器の水流通路及び第２水流加速器の通路は、それぞれ螺旋状をなし、且つその断面積が入水端から出水端に向けて漸減する。２つの水流加速器が上へ又は下へ移動する際、その入水量と出水量が同じであるため、出水口の流速が入水口の流速よりも速くなり、水車に対する水流の衝突力が大きくなる。これにより、変換効率が向上する。
【００１４】
２、浮体の下方には上方に向けて開口された貯水器が設けられている。浮体及び貯水器が波に従って上昇する場合、浮体は上方への浮力を受ける。該浮力により水流加速器が静水層において上方に速やかに移動して水車を時計方向に回転させるように押し回すことによって、発電を行う。波浪がピークに達した場合、浮体及び貯水器は、水車からの反作用力を受けるため、波浪とともに下降しない。その場合、貯水器内の水の位置エネルギーが第２水流加速器を下方に移動させる運動エネルギーに変換されることで、発電效率が向上する。
【００１５】
３、水流加速器に２つ以上の水流通路を設けたり、第２水流加速器に２つ以上の通路を設けたりすることにより、変換効率を更に向上できる。水流通路又は通路の増加のほかに、回転軸の下部において所定の距離を置いて水流加速器、水車及び第２第２水流加速器からなる複数組の発電動力機構を取付けることにより、本発明の変換効率を大幅に向上できる。
【００１６】
４、浮体が水面に浮かれ、回転軸及び発電機が直立に置かれるため、動力を提供する水車、水流加速器及び第２水流加速器が海水面以下に位置し、発電機が海水面に浮かれる。したがって、発電機及びその取付部材が海水に侵食されることを防止でき、使用寿命を延長できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に従って詳しく説明する。
【図１】実施例１の立体構造を示す模式図である。
【図２】実施例１の海洋における使用状態を示す図である。
【図３】実施例１における発電機、回転軸及び浮体を示す断面図である。
【図４】実施例１における水流加速器の立体構造を示す模式図である。
【図５】実施例１における第２水流加速器の立体構造を示す模式図である。
【図６】実施例１における水車の平面図である。
【図７】実施例１の動作原理図である。
【図８】実施例２の立体構造を示す模式図である。
【図９】実施例２の動作原理図である。
【図１０】実施例３の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図に示すように、本発明に係る海洋波力発電装置は、浮体２と、発電機３と、水車４と、水流加速器５とを含んでいる。発電機３は、浮体２に固定され、浮体２の下方には、上方に向けて開口する貯水器８が設けられている。貯水器８は、浮体２に固定接続され、貯水器８の外周にはその回転を防止する垂直板８１が設けられている。水流加速器５と浮体２との間には、浮体２及び水流加速器５に対して回転可能な回転軸１が設けられている。回転軸１は、その上端が浮体２を貫通して発電機３の回転子に連結され、その下端が水流加速器５を貫通して水車４に固定連結されている。水流加速器５には、高速水流を形成して水車４を一方向に回転させるように推し回すための水流通路５１が設けられている。水車４が回転軸１を介して発電機３を駆動して発電を行う場合、発電機３は回転軸１の回転方向と同方向の駆動力を受ける。そして、貯水器８の外周に形成された垂直板８１が海水に浸され、発電機３の受けられた駆動力が貯水器８に伝達される。垂直板８１が回転しようとすると、海水による抵抗に打ち勝たなければならない。しかし、垂直板８１の回転の際に発生する抵抗は、発電機３が発電の際に受ける駆動力よりも遥かに大きくなるように設計されている。このようにして、発電機３が発電する際に、台座３０が回転しないことを確保できる。
【００１９】
本発明の３つの実施例において、回転軸１は、直立に設けられた長ロッドである。水流加速器５は、直立に設けられた円柱体である。浮体２は、揺動中において常に水面に浮かれるような大きさを有する。浮体２は、上挟持板２１と、下挟持板２３と、挟持板２１と下挟持板２３との間に固定された浮盤２２とを含み、上挟持板２１、下挟持板２３及び浮盤２２が一体に固定接続されている。下挟持板２３の下側には、複数枚の接続板２４が設けられ、接続板２４の下端が貯水器８の底部に固定連結されている。浮体２の上挟持板２１の上端には、支持枠９が設けられ、支持枠９の一端が上挟持板２１に固定連結され、支持枠９の他端が発電機３の台座３０に固定連結されている。
【００２０】
水車４は、その外周方向に沿って複数の羽根４１が設けられ、当該羽根４１が平滑な円弧状片に設計されている。水流加速器５は、水車４の上方に位置している。水流通路５１は、螺旋状をなし、その断面積が入水端から出水端に向けて漸減する。水流通路５１の入水端において水流加速器５の上端面には入水口５２が形成され、水流通路５１の出水端において水流加速器５の下端面には出水口５３が形成され、当該出水口５３が水流加速器５の中心から外れている。また、水流通路５１は、出水口５３よりも入水口５２が遥かに大きい。入水口５２の面積が出水口５３の面積よりも大きく、且つ水流通路５の断面積が入水口５２から出水口５３に向けて漸減するように形成されているため、水流通路５内の海水が出水口５３において高流速の水流を形成できる。高流速の水流が水車４の羽根４１に衝突することにより回転軸１を時計方向に回転させるように駆動することで、発電が行われる。より高速の水流を形成するために、入水口５２の面積が出水口５３の面積よりも大幅に大きくなるように、例えば入水口５２の面積が出水口５３の面積の３−１０倍、ひいてはさらに大きくなるようにしてもよい。
【００２１】
水車４の下方には、第２水流加速器６が設けられ、回転軸１の下端が下方に延びて第２水流加速器６を挿通する。第２水流加速器６は、直立に設けられた円柱体である。第２水流加速器６には、高速水流を形成して水車４を同じ方向に回転させるように駆動するための通路６１が設けられている。通路６１は、螺旋状をなし、その断面積が入水端から出水端に向けて漸減する。通路６１の入水端において第２水流加速器６の下端面には第２入水口６２が形成され、通路６１の出水端において第２水流加速器６の上端面には第２出水口６３が形成され、当該第２出水口６３が第２水流加速器６の中心から外れている。また、通路６１は、第２入水口６２の面積が第２出水口６３の面積よりも大きい。第２入水口６２の面積が第２出水口６３の面積よりも大きく、且つ通路６１の断面積が漸減するように形成されているため、通路６１内の海水が第２出水口６３において高流速の水流を形成できる。当該高流速の水流が水車４の羽根４１に衝突することにより回転軸１を時計方向に回転させるように駆動することで、発電が行われる。より高速の水流を形成するために、第２入水口６２の面積が第２出水口６３の面積よりも大幅に大きくなるように、例えば第２入水口６２の面積が第２出水口６３の面積３−１０倍、ひいてはさらに大きくなるようにしてもよい。
【００２２】
図１〜図７に示すように、実施例１では、水流加速器５に一つの水流通路５１が設けられ、第２水流加速器６に一つの通路６１が設けられている。回転軸１は、水流加速器５及び第２水流加速器６にそれぞれ回転可能に接続されている。回転軸１には、水流加速器５及び第２水流加速器の軸方向における移動を防止するための位置決めフランジ１１が設けられている。このようにして、回転軸１は、動作中において水流加速器５及び第２水流加速器６に対して回転でき、且つ水流加速器５及び第２水流加速器６とともに上下移動できる。また、水流加速器５及び第２水流加速器６の外周にはこれらの回転を防止するための垂直バッフルプレート６４がそれぞれ設けられている。垂直バッフルプレート６４の作用は、水流加速器５及び第２水流加速器６内で高速水流の反作用力による影響を抵抗することで、水流加速器５及び第２水流加速器６の回転によって変換効率が影響されることを回避することにある。
【００２３】
本発明の実施例１に係る装置の動作手順は以下のとおりである。
第１ステップにおいて、浮体２が波に従って上方向に移動する場合、水車４は静水層において上昇移動し、海水が水流加速器５の入水口５２、水流通路５１及び出水口５３を経由した後、出水口５３において入水口５２での水流速度よりも遥かに速い高速水流を形成する。そして、水流が高速で水車４に衝突して回転軸１を時計方向に回転させるように駆動することで、第１ステップの発電が行われる。そのとき、第２水流加速器６は動作しない状態にある。上昇の際、浮体２の上方向への移動は不均速運動であり、ピークに達した時、水流加速器５が静水層において上方向への移動を停止するが、水車４は慣性によって回転し続ける。その時、回転軸１も回転し続ける。その後、浮体２及びその下方に位置する貯水器８、並びに貯水器８内に貯留された海水は、重力の作用で波に従って下方向へ移動して、第２ステップに入る。
【００２４】
第２ステップにおいて、水流加速器５は動作しない状態にある。海水は、第２水流加速器６の第２入水口６２、通路６１及び第２出水口６３を経由した後、第２出水口６３において第２入水口６２での水流速度よりも遥かに速い高速水流を形成する。そして、水流が高速で水車４に衝突して回転軸を時計方向に回転させるように駆動することで、第２ステップの発電が行われる。下降の際、浮体２の下方向への移動は不均速運動であり、トラフに達した時、第２水流加速器６が静水層において下方向への移動を停止するが、水車４は慣性によって回転し続ける。その後、本発明の装置は、波に従って再び上方向に移動することで、周期的に発電を行う。前述したように、本発明の装置は、上下移動する際に回転軸１が常に時計方向に回転するため、回転軸の正逆両方向への回転に起因するエネルギー損失を回避できる。
【００２５】
海洋の表面から所定の深さまでの部分は、波浪運動によりその中の物質もともに浮動するため、「波動層」と呼ばれる。また、更に深い部分は、海水が静止状態にあるため、「静水層」と呼ばれる。本発明の装置が海洋で動作する場合、浮体２は、海水面、即ち波動層に位置しており、波浪の波動に従って上下移動し、水車４、水流加速器５及び第２水流加速器６は、静止層にある。こうして、本発明の装置は、海水の波運動の特徴により波力エネルギーから機械エネルギーへ変換でき、さらに機械エネルギーを電気エネルギーに変換できる。また、浮体２が水面に浮かれ、回転軸１及び発電機３が直立に設けられているため、動力を供給する水車４、水流加速器５及び第２水流加速器６が海水面以下に位置するとともに、発電機３が海水面に浮かれる。これにより、発電機３及びその取付部材が海水に侵食されることを回避でき、使用寿命を延長できる。
【００２６】
実際に使用する場合、回転軸１を常に時計方向に回転させるほか、水流通路５１或いは通路６１の螺旋方向を変えることによって回転軸１を常に反時計方向に回転させてもよい。それらの動作原理は同様である。また、実際に使用する場合は、所定面積を有する海面に本発明に係る装置を複数個設置した後、全ての装置によって発生した電気量を収集して海岸へ伝送し、さらに電力品質加工及び処理を行う。各装置からの電気エネルギーの収集は、浮枠によって行われる。電気エネルギーの収集において、それぞれ電気エネルギー処理を行ってから収集してもよく、収集してから一括的に電気エネルギー処理を行ってもよい。また、近くで海水を電解して水素を生成し、生成した水素を海岸へ輸送してもよい。
【００２７】
図８及び図９に示すように、実施例２では、水流加速器５に、２つの水流通路５１と、各水流通路５１に対応する入水口５２及び出水口５３とを設けることで、変換効率をさらに向上させる。また、第２水流加速器６にも、２つの通路６１と、各通路６１に対応する二つの第２入水口６２及び第２出水口６３を設けることで、変換効率をさらに向上させる。回転軸１は、水流加速器５及び第２水流加速器６に回転可能に接続され、回転軸１には、水流加速器５及び第２水流加速器６が軸方向に沿って移動することを防止するための位置決めフランジ１１が設けられている。こうして、回転軸１は、動作中に水流加速器５及び第２水流加速器６に対して回転可能であり、水流加速器５及び第２水流加速器６とともに上下移動できる。また、水流加速器５及び第２水流加速器６の外周にはこれらの回転を防止する垂直バッフルプレート６４がそれぞれ設けられている。実施例２において、水流通路５１或いは通路６１の増加の他、回転軸１の下部に間隔を置いて水流加速器５、水車４及び第２水流加速器６からなる複数組の発電動力機構（図示せず）を取付けることによっても、変換効率を向上できる。
【００２８】
図１０に示す実施例３のように、水流加速器５及び第２水流加速器６に一つ或いは複数の水流通路（図示せず）を設けてもよい。回転軸１は、水流加速器５及び第２水流加速器６を回転可能に挿通しており、水流加速器５と第２水流加速器６とは、接続片７を介して前記貯水器８に固定連結されている。貯水器８は、その外周に位置する垂直板８１の抵抗作用により回転しないため、水流加速器５及び第２水流加速器６も回転しない。したがって、水流加速器５及び第２水流加速器６の回転により変換効率が影響されることを回避できる。
【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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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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2012509429.tif 000014
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