(57)【要約】  波エネルギを高効率に電気エネルギに変換でき、簡易な構成で建設コストが小さく、大容量の発電を低コストで供給できる波力発電装置を得ることを課題とする。  波力発電装置は、浮動体１上の囲壁２内に重量物３を弾性部材の空気ばね４で弾性支持し、重量物３と浮動体１間に電磁ダンパーの発電手段７を設けて構成されている。空気ばね４のばね定数は、波の振動数に空気ばねの不減衰固有振動数が互いの振動数比ω／ω0 の所定範囲内で近くなる又は一致するように予めピストン６内と浮動体１内に設けた補助タンクにより調整し、ばね系の振動を波に共振させて発電手段７の相対移動を最大とし、発電効率を最大限に向上させて発電ができる。
2005040603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波面に浮かべた浮動体上に重量物を弾性部材で弾性的に支持し、浮動体と重量物間に重量物の移動に対し減衰力を生じさせ、かつその移動エネルギを電気エネルギに変換する発電手段を設け、弾性部材の不減衰固有振動数が浮動体を加振する波の振動数と互いの振動数比ω／ω0 の所定範囲内で近くなるように弾性部材のばね定数を設定し、弾性部材と波との共振現象を利用するようにした波力発電装置。
【請求項２】
波面に浮かべた浮動体上に重量物を弾性部材で弾性的に支持し、浮動体と重量物間に重量物の移動に対し減衰力を生じさせ、かつその移動エネルギを電気エネルギに変換する発電手段を設け、弾性部材の不減衰固有振動数が浮動体を加振する波の振動数となるように弾性部材のばね定数を設定し、弾性部材と波との共振現象を利用するようにした波力発電装置。
【請求項３】
前記弾性部材のばね定数を可変とし、波の振動数の変化に対応して弾性部材の不減衰固有振動数を調整自在としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の波力発電装置。
【請求項４】
前記弾性部材を空気ばねとし、この空気ばねに補助タンクを接続して空気ばねの内容積を変化させることができるように構成し、これにより上記不減衰固有振動数を波の振動数の変化に対応して調整自在としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の波力発電装置。
【請求項５】
前記発電手段を電磁ダンパーとしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の波力発電装置。
【請求項６】
前記浮動体に自走機能を設けること又は船舶を前記浮動体とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の波力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波面の波エネルギを高効率に電気エネルギに変換する波力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
波エネルギを利用して発電する波力発電の研究が種々行なわれているが、非特許文献１によれば、波力発電方式は一次変換の機構として、１）空気エネルギに変換する方式、２）機械的なエネルギに変換する方式、３）水の位置エネルギ又は水流エネルギに変換する方式のいずれかに属するものが実験装置により試みられている。上記１）の空気エネルギに変換する方式の一例として空気タービン式波力発電装置が提案され、既に浮体構造物「海明」に設置して実験が行なわれたことが報告されている。【０００３】
この装置の原理的な構成は、一定断面積の空気室を所定深さ分海面下に沈め、波に伴う海面の上下運動によって空気室内に生じる空気流れで空気タービンを回転させ、連動する発電機により電力を取出すように構成されている。この他にも種々の実験装置が試作され、各種実験が行なわれているが、現状のこれら波力発電装置は、発電量が３０〜３５０ＫＷと小さく、規模の割りには建設コストが高いと指摘されている。【０００４】
発電量が小さいのは、電気エネルギへの変換効率が悪く、波力エネルギを十分に活用できていないからであり、従って必然的に建設コストが高くなるが、仮りに大型発電設備として建設した場合、安全対策として防波堤自体の設置が必要となり、防波堤固定型は海洋工事となり割高であって、益々建設コストが高くなる。又、津波、台風の影響で破損する場合もある。従って、現状の波力発電装置は、無停電ブイの標識灯用の電源として小発電装置が利用されているに過ぎない。【０００５】
このような波力発電による小発電装置の一例として、特許文献１による「波力発電方法と波力発電ブイ」が公知である。この公報による波力発電方法は、波面に浮遊している浮動体の内部に固定したスプリング手段から紐体を海水中に下ろしてその下端に重りを付け、波面の上下動によって浮動体と海水中の重りとの相対的な移動により紐体に係合された発電手段を駆動し、電気エネルギを得るというものである。この波力発電方法を適用した波力発電ブイは、浮動体に設けた筒体の頂上部の発光源に上記発電方法で得た電力を供給するように構成されている。【０００６】
しかし、このような波力発電装置を用いたブイでは、浮動体が沈まないように軽い重りが用いられ、かつ重り−バネの共振現象を利用していないため、波の上下運動に伴う磁石の運動エネルギが小さく、従って変換される電気エネルギも小さく、波力発電ブイ程度の小規模発電にしか利用できない。【０００７】
一方、波力エネルギの利用ではなく、携帯時の振動や揺動の運動エネルギを効率よく電気エネルギに変換し得る「携帯型発電機」が特許文献２により公知である。この携帯型発電機は、円筒体内に軸方向へ移動可能なバネで保持された棒状の永久磁石を挿入し、円筒体外周に筒状のコイルを巻付けて発電部を形成し、携帯時の振動や揺動でコイルに発生した交流電圧を整流器で整流してバッテリに充電するというものである。【０００８】
この発電機は、手動回転操作などの煩わしい操作を必要とせず、永久磁石の軸方向の共振振動数を携帯時の主要な振動源の平均周期に合わせることにより共振を利用して携帯時の振動や揺動の運動エネルギを効率よく電気エネルギに変換するようにしている。この場合、人の歩行時の平均周期は１．９Ｈｚ程度であるが、携帯時の状況あるいは携帯者によっても携帯時の振動や揺動の平均周期は変化し、従って永久磁石の軸方向の共振振動数を調整する手段を備えるのが望ましい。【０００９】
しかし、上記構成の携帯型発電機は、携帯を目的としているため、重りとしての磁石の重量が軽く、円筒コイルの中に入れた構造のため大きさに制限があり、磁石を大きくすることができない構造であって、運動エネルギが小さく、重り−バネの共振現象を利用しているが、この発電方式を大きな発電量の発電方式に適用することはできない。
【非特許文献１】雑誌「波力発電の現状」（（財）電力中央研究所有識者会議推進室編）
【特許文献１】特開平２−２３０９６９号公報
【特許文献２】特開２００２−３７４６６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明は、上記の問題点に留意して、波エネルギを高効率に電気エネルギに変換でき、簡易な構成で建設コストが小さく、大容量の発電を低コストで供給できる波力発電装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、上記の課題を解決する手段として、波面に浮かべた浮動体上に重量物を弾性部材で弾性的に支持し、浮動体と重量物間に重量物の移動に対し減衰力を生じさせ、かつその移動エネルギを電気エネルギに変換する発電手段を設け、弾性部材の不減衰固有振動数が浮動体を加振する波の振動数と互いの振動数比ω／ω0 の所定範囲内で近くなる又は一致するように弾性部材のばね定数を設定し、弾性部材と波との共振現象を利用するようにした波力発電装置である。【００１２】
上記構成の波力発電装置は、浮動体に作用する波の加振力の振動に重量物を支持する弾性部材の振動を共振させ、この共振状態を利用して大きな発電量を得るようにしたものである。浮動体が波により上下動して振動すると、浮動体上に設置されている重量物にも上下動の加振力が作用するが、重量物は弾性部材に支持されているため浮動体の上下動とは時間的にずれて上下動する。【００１３】
従って、予め弾性部材の不減衰固有振動数が波の振動数に互いの振動数比ω／ω0 の所定範囲内で近くなる又は一致するように弾性部材のばね定数を設定しておけば、この重量物の上下動が最大ストロークで変動することとなり、直線方向の位置の変動を利用した電磁ダンパーの発電手段では最大容量の発電を効率よく得ることができる。この場合、波の振動数は、同じ場所でも季節、日時等によって異なり、又場所が異なればさらに大きく異なる。従って、弾性部材のばね定数は波の振動数が変動するのに合わせて調整できるようにするのがよい。【００１４】
波力発電に利用できる波の振動数は、短周期重力波（０．１〜１秒）〜普通重力波（１〜３０秒）とされ、これに適合する弾性部材としては空気ばねが代表的であり、補助タンクを利用して内容積を変化させることによりその不減衰固有振動数を波の振動数に近い０．４〜６．０Ｈｚまで簡単に変化させて調整できる。弾性部材は、この他にもコイルばね、板ばねを利用することもでき、ばねの種類は問わない。【００１５】
浮動体は、それ自体が自走しなくても波面に浮動できる筐体であればよいが、その場合は他の船により曳航可能に形成し、又浮動体を新設又は既存の船舶の船体として自走機能を持たせ、この船体上又は船体内に浮動体上の各部材を設け、全体として波力発電設備を構成してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の波力発電装置は、重量物とこれを支持する弾性部材の系の振動を波の振動に共振させて大きな運動エネルギを生じさせ、電磁ダンパーの発電手段により電気エネルギを得るようにしたから、簡単な構成で大容量の発電量を低コストで実現でき、浮動体に自走機能を持たせることにより津波、台風から避難できるため、安全性が高く、広い海域で利用できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態の波力発電装置の主要断面図
【図２】同上装置の（ａ）模式図、及び（ｂ）振動モデル化したモデル図
【図３】振動数比ω／ω0 とｚ／ｘとの関係を表す図
【図４】第２実施形態の波力発電装置の要部拡大断面図
【図５】他の変形例の模式図
【符号の説明】
【００１８】
１  浮動体
２  囲壁
３  重量物
４  空気ばね
５  ダイヤフラム
６  ピストン
７  発電手段
８  永久磁石
９  コイル
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は実施形態の波力発電装置の主要断面図である。１は浮動体であり、後述する発電装置を搭載しても沈まない程の十分な浮力を有する浮体として構成されるものであり、自走して移動し得る船体そのものとしてもよいし、あるいは船体上、又は船体内に固定設置した台板又は箱体と共に全体で浮体としてもよい。図示の例では箱形状の断面のみを簡略表示している。上記浮動体１上には囲壁２H 、２ｖで完全密閉状に囲まれた部屋内に発電ユニットが設けられている。但し、船体内に設ける場合は、必ずしも完全密閉状でなくても浸水しなければよい。【００２０】
発電ユニットは、図示のように、浮動体１上に重量物（重り）３を空気ばね４で支持し、浮動体１と重量物３の間に発電手段７として電磁ダンパーによる発電装置を設けて形成されている。重量物３は、厚板を複数枚重ねて一体化された重りとして用いる。この重量物３の側方には空気ばねで支持された状態で波面の上下動による移動を垂直壁面に沿って案内するローラ１２が適宜設けられる。【００２１】
空気ばね４は、複数箇所（図示の例では４箇所）で重量物３を支持するように設けられている。空気ばね４は、内部の空気容量を変化させることにより不減衰固有振動数ω0 を可変とするものであり、波の振動数と共振させるのに優れた弾性部材の一例として採用している。この空気ばね４では、ダイヤフラム５をピストン６との間に封止し、ピストン６内の室６ｂと浮動体１内の室１ａを補助タンクとし、開閉（制御）弁６ａを開閉することにより空気ばね内部の空気容量を変化させるようにしている。【００２２】
但し、ピストン６内に補助タンクを設け、補助タンクを細部に仕切る、あるいは外部設置タンクに接続するなど空気容量の変化を連続的に又は段階的に大きく変化させる種々の方式が存在するから、そのいずれを採用してもよい。なお、水平な囲壁２H の下面には重量物３の上昇を一定範囲に制限するストッパ１１が設けられている。【００２３】
発電手段７は、フレーム又は囲壁７ａ内に永久磁石８を互いに水平方向に異極性部分ＮとＳを対向するように設けた永久磁石対の複数対を垂直方向に、かつ互いに隣り合う永久磁石対の磁極向きを交互に反転するように設け、各対の永久磁石８の間にコイル９をそれぞれの永久磁石対に対応する間隔で設けて形成されている。そして、コイル９と永久磁石８との半径方向隙間は所定ギャップ量に設定され、複数箇所コアーロッド７ｂの中間高さ位置より下方に亘って設けられている。各コイル９は互いに直列又は並列にその導線を接続して外部へ導出されている。【００２４】
上記の構成とした波力発電装置では、波力による浮動体１の上下振動を空気ばね４を介して重量物３に伝達し、空気ばねの内部空気容量を予め調整してその不減衰固有振動数ω0 が波の振動数と共振状態で重量物３を振動させることにより空気ばね４の伸縮変位を最大として、重量物３に連動する発電手段７の発電容量が最大となるように発電が行なわれる。【００２５】
この場合、一般に波力発電に適合する波の振動数は、短周期重力波（０．１〜１秒）〜普通重力波（単に重力波とも言う）（１〜３０秒）とされ、上記空気ばねは０．４〜６．０Ｈｚに変動可能であり、それぞれの波の振動数は別途振動センサを設けて測定し、測定された波の振動数にω0 の値が近くなる又は一致するように開閉弁にて空気の内容量を調整する。永久磁石８は、これを囲むフレーム７ａをヨークとし、このヨークを介して磁気回路を構成しており、その中でコイル９を摺動させて磁気回路を垂直方向に切ることによりコイル９に起電力ｅを生じさせるのである。【００２６】
上記の波力発電装置による発電の原理は、以下の論理に基づくものである。図２の（ａ）図に上記波力発電装置を簡略化した模式図、（ｂ）図に振動モデルとしてモデル化した図を示す。図において、重量物３の質量をｍ、空気ばね４のばね定数をｋ、電磁ダンバーの発電手段７の起電力ｅによって発生する減衰力をｃ、浮動体１の上下変位をｘ、重量物３の上下変化をｙとする。空気ばねのばね定数ｋは、上述した波の振動数（０．４〜６Ｈｚ）に共振するように予め設定されているものとする。【００２７】
上記ばね系で支持されている重量物３は、波動により上下動する浮動体の動きに対応して空気ばねの大きな伸縮運動を介して振動する。この重量物３の上下方向の運動方程式は次式で表される。
ｍｙ”＝−ｋ（ｙ−ｘ）−ｃ（ｙ’−ｘ’）  ・・・  （１）
上式中の”、’は２階微分、１階微分を表す。【００２８】
ここで、浮動体１と重量物３との間の伸縮量をｚとすると、ｚ＝ｙ−ｘであり、浮動体１の波力から受ける振動を上下変位でｘ＝Ｘｓｉｎωｔと仮定する。ｙ＝ｚ＋ｘであるから、ｙ”＝ｚ”＋ｘ”＝ｚ”−ω2 Ｘｓｉｎωｔとなり、従って（１）式は次のように変形できる。
ｍｚ”＋ｃｚ’＋ｋｚ＝ｍω2 Ｘｓｉｎωｔ  ・・・  （２）
さらに、不減衰固有振動数ω0 ＝（ｋ／ｍ）1/2  、減衰比ζ＝ｃ／（２ｍω0 ）
とすると、ｚ／ｘは次のようになる。
ｚ／ｘ＝（ω／ω0 ）2 ／｛〔１−（ω／ω0 ）2 〕2＋（２ζω／ω0 ）2 ｝1/2
・・・  （３）【００２９】
上記減衰比ζを変化させた時のｚ／ｘと振動数比ω／ω0 の関係を図３に示す。図３から分かるように、振動数比ω／ω0 ＝１、つまり波力の強制振動数ωと不減衰固有振動数ω0 が等しくなる状態（共振状態）で伸縮変位ｚが最大となる。なお、上記振動数比ω／ω0 は１となるのが望ましいが、実際には０．１≦ω／ω0 ≦２の範囲でωがω0 に近くなるように弾性部材のばね定数を定めることができるようにするのが好ましい。【００３０】
起電力ｅは、電磁ダンパーの発電手段７のコイル長さをＬとし、コイルを横切る磁束密度をＢ、コイルと磁束間の相対速度をｖとすると、ｅ＝ＢＬｖで表されるから、伸縮変位ｚが最大となる共振時に相対速度ｖが最大となり、最大の起電力ｅｍａｘを得ることができる（ｖ＝ｚ’）。又、減衰力ｃはコイルの電流をＩとすると、ｃ＝ＢＩＬで表される。従って、起電力ｅを大きくするため、コイル長さＬ又は磁束密度Ｂを大きくすると減衰力ｃが大きくなるが、それに伴って減衰比ζが大きくなるためｚ／ｘが小さくなり、相対速度ｖが小さくなるという関係がある。つまり、減衰比ζがあまり大きくならないように減衰力ｃと質量ｍのバランスを適宜設定する必要がある。【００３１】
なお、図示省略しているが、電磁ダンパーの発電手段７には電圧調整器、逆流防止装置を経由して蓄電池、及び電力網へ電力を供給するように給電ラインが接続されている。又蓄電池を重量物の一部として利用するように構成してもよい。さらに、上記波力発電装置に自走機能を設けること又は船舶を浮動体とすることもできる。浮動体が水平方向に動くことで浮動体に作用する波の強制振動数ωを変化させることができ、不減衰固有振動数ω0 と共振するように自走速度を調整し、大きな発電量を得ることも可能となる。船舶は新設又は既存のもののいずれでも利用できる。既存の船舶を浮動体とすれば、低コスト化が可能となる。【００３２】
上記実施形態の波力発電装置の一例として、重量物＝２００ｋｇ（質量２０．４ｋｇ／（ｍ／ｓ2 ））、空気ばねの全体のばね定数を７８９９Ｎ／ｍ、コイル長さＬ１０００ｍで抵抗Ｒ＝１０Ω、永久磁石による磁束密度Ｂを０．１Ｔとする発電ユニットを浮動体に設けて波力発電装置を構成した。上記浮動体に１Ｈｚの波力を作用させると、減衰力１０００Ｎが発生する。この場合、減衰比ζ＝０．３９、振幅比ｚ／ｘ＝１．２５となり、浮動体の上下変位ｘ＝０．４ｍ、空気ばねの伸縮量ｚ＝０．５ｍ、平均相対速度ＶAV＝１．０ｍ／ｓの条件下では起電力ｅ＝ＢＬｖ＝０．１Ｔ×１０００ｍ×１ｍ／ｓ＝１００Ｖ，電流１０Ａが発生し、電力１ＫＷが得られる（Ｉ×Ｖ＝１０Ａ×１００Ｖ＝１０００Ｗ）。【００３３】
なお、上記電磁ダンパーの発電手段７は磁石部とコイル部が分離して構成され、相対的に移動する構造であればよく、図４に他の例として第２実施形態の波力発電装置の要部断面を示す。この例では、発電手段７はフレーム又は周壁７ａの中心に柱状のセンタコア７ｃが周壁７ａと一体に設けられ、周壁７ａの内面に沿ってリング状の永久磁石８を取付け、センタコア７ｃに遊嵌状に、昇降自在に配設されたリング状のコイル９を備えている。コイル９はフォーク状の支持部材７ｂ’の下端に連結され、支持部材７ｂ’の上端は重量物（重り）３の下端に固定されている。【００３４】
又、支持部材７ｂ’の脚部は重量物３の昇降動に伴って上下動する際に挿入されている案内孔７Ｈ  内で上下方向に案内されている。上記以外の空気ばね４や重量物３、囲壁２、浮動体１については第１実施形態と同じ部材であるから図示、説明を省略する。この実施形態も、振動モデルとして模式図で表すと図２に示す通りである。又、数値例で示した波力発電装置の具体例を第２実施形態の波力発電装置に対しても同様に適用できる。【００３５】
さらに、上記各波力発電装置に対し電磁ダンパの発電手段７、弾性部材の空気ばね４を複数組設けることもでき、その模式図を図５に示す。図５の（ａ）図は、電磁ダンパ、弾性部材を重量物３の上、下に２組設けた例、（ｂ）図は電磁ダンパを上下に２組、弾性部材を水平方向に２組設けた例である。又、（ｃ）図は電磁ダンパ、弾性部材をそれぞれ上下、左右に４組ずつ設け、囲壁に対し浮動体１をその深さ方向の中間位置又はその付近に設けた例を示す。【００３６】
以上のような発電装置の各例に対し、大型タンカーのサイズの浮動体に１０万トンの重量物を支持したとすると、重量比で発電量が増えるため、その５０万倍即ち５０万ＫＷの発電が可能となる。但し、全体重量が重くなると浮動体の振幅が小さくなり、平均相対速度ｖが小さくなることがあるため、その場合は上記浮動体上の発電ユニットを複数組設置し、各々の上下運動に相互干渉しないように組合せて使用するとよい。【００３７】
上記各実施形態の波力発電装置によれば、発電手段７が非接触なため故障が起き難く、メンテナンスとしては空気ばね４のダイヤフラム５を交換するだけで良いため、発電装置の維持管理費が非常に安価となる。又、囲壁２により内部を密閉構造とすることにより津波、台風に対する装置内部への影響を少なくすることができるという利点もある。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
この発明の波力発電装置は、無停電ブイの小発電装置は勿論、大容量の発電装置として、あるいは電力供給が難しい島、海上レジャー機器、施設への電力供給、及び小型化により救命ボートの発電用など広く発電装置として各種の用途に利用できる。
【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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【国際調査報告】
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2005040603.tif 000009
2005040603.tif 000010
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