JP6892559B2 - 波力発電装置 - Google Patents

Description

本発明はエネルギー変換技術分野に関し、特に海上の浮動体を用いて波のエネルギーを収集して発電する波力発電装置に関する。

海洋は地球の面積の７０％以上を占めている。海水の上下動、水平動、揺動及び回転は巨大なエネルギーを有するだけではなく、一定の規律性を持つため、自然界の尽きることのない無炭素クリーンエネルギーである。海水密度は空気密度の８５０倍余りで、波による発電の見通しは風力発電よりもはるかに大きい。波を用いた発電の構想は百年来、数百種類提案されており、比較的成熟したものが潮汐発電である。潮汐の干満は１日２回までで、利用できる時間や干満差は限られており、しかもその地理環境の要求が高く、設備の損耗が大きいため、今まで商業化の普及は困難である。

本出願の発明者は学習、観察、研究を経て、波が「海岸に向かって流れていくという規律性」があり、すなわち、波が岸に到達した時にその水平方向に沿って伝わったエネルギーの性質が、海水の質点振動から海岸に垂直な質点の往復流動に変化し、潮流が形成されている。潮流は水平に流れる運動エネルギーを持つことで、波による発電に動力を提供している。地形、気候、風及び深海波の影響を受けている一部の近岸域の波は、波の高さが増加し、数メートル以上にもなることがあり、このような波の起伏運動は位置エネルギーと運動エネルギーがあり、発電に使えるそうだが、このような波は起伏運動の「ポイントフローティング現象」（すなわち、小さい面積の点には垂直昇降の現象があり、エネルギーを収集して仕事に変換できるが、大きい面積の海面の場合は、無秩序に分散した大量の点が起伏し、エネルギーを相殺してエネルギーの収集も仕事への変換もできなくなる）がある。したがって、「ポイントフローティング制約」を克服しなければ利用することができない。

本出願の発明者は波の上下動と水平動による三次元エネルギーを用いる発電技術案を開示している。当該技術案は船倉のようなエネルギー収集浮動体と浮動体活動範囲制限装置からなるる浮遊型エネルギー収集装置を介して波のエネルギーを収集し、その後にエネルギー伝達装置将波エネルギーをエネルギー変換装置に伝達する。ただし、「ポイントフローティング制約」の問題が解決されず、当該技術案を実施するにあたって機械構造が複雑で、設置と調整などが困難で、設備の投資額が大きいなどの問題もあるため、シンプル構造、低投資、経済性かつ実用性を有する、「ポイントフローティング制約」を克服できる波力発電装置が必要とされている。

従来の波力発電装置における、構造が複雑で、投資が大きく、設置が困難で、「ポイントフローティング制約」を受けるなどの問題を解決するため、本発明は、経済的で実用的な一般装置及びエネルギー収集施設を用いて、海水の３次元方向からのエネルギーを発電に活用する波力発電装置を提供する。前記波力発電装置は、エネルギー収集浮動体と、前記エネルギー収集浮動体の周囲に吊り下げられる複数のエネルギー変換梃子及びエネルギー伝達ロードとを含み、前記エネルギー伝達ロードは、一端が前記エネルギー収集浮動体に連結され、他端が前記エネルギー変換梃子の下端に嵌装されるように形成され、前記エネルギー伝達ロードは、前記エネルギー収集浮動体が収集した波の水平動によるエネルギーを前記エネルギー変換梃子に伝達するとともに、海面の昇降により前記エネルギー変換梃子に沿って上下移動し、前記エネルギー変換梃子は、上端が第１の仕事変換機械に連結され、下端が海水下に没しているように形成される。

前記エネルギー収集浮動体の周囲には、複数の固定用支持フレームを設置し、前記エネルギー変換梃子は、軸受を介して前記固定用支持フレームにヒンジ連結されるとともに、前記軸受を中心に回転する。

前記エネルギー収集浮動体の周辺には、上下移動可能なバリアを設置する。

前記エネルギー収集浮動体には、広口部が下向きになっている、波の上下移動によるエネルギーを収集するに用いられる複数のラッパ状波エネルギー収集ホッパーを設置し、前記波エネルギー収集ホッパーの上端は、第２の仕事変換機械に連結される。

前記エネルギー収集浮動体は、海洋の潮汐の干満差の位置エネルギーを第３の仕事変換機械に伝達する。

前記第１の仕事変換機械、前記第２の仕事変換機械及び前記第３の仕事変換機械は、エネルギー貯蓄機構又は運動エネルギー機械をそれぞれ含む。

前記エネルギー貯蓄機構のエネルギー貯蓄方式は、油圧装置によるエネルギー貯蓄であり、具体的に、油圧アキュムレータ同士は、連結されることにより油圧ステーションを形成し、前記油圧ステーションは、油圧流量弁を介して液体の流量を制御するとともに、油圧モーターを駆動し、前記油圧モーターは、発電機を駆動して発電させる。

前記第１の仕事変換機械、前記第２の仕事変換機械及び前記第３の仕事変換機械は、発電機をそれぞれ駆動して発電させ、又は前記第１の仕事変換機械、前記第２の仕事変換機械及び前記第３の仕事変換機械は、相互に連結されることにより、発電機を共同で駆動して発電させることを実現する。

前記エネルギー収集浮動体は、耐海水腐食性のある丈夫な材料で製造される中空浮動体であり、前記エネルギー収集浮動体は、中央の部分が下向きに突出し、周縁部が薄いように形成され、前記エネルギー収集浮動体の上には、住宅施設、貯蔵施設、レクリエーション施設、スポーツ施設、エネルギー施設のうち、いずれかの１つ又は複数のものを設置し、その上の空いた場所を汚染されていない土で覆うことにより、作物の栽培或いは動物の飼育を行い、前記エネルギー収集浮動体は、海水に浸された部分の筐体が海洋生物にとって住むことに適する礁からなる。したがって、海藻、巻貝、カキ、カニなどが生息することができるだけではなく、エネルギー収集浮動体の耐用年数を延長することもできる。

前記エネルギー変換梃子は、低弾性で剛性のある耐食性材料で製造され、前記エネルギー伝達ロードは、海水よりも比重が低い、且つ、低弾性で靭性の高い耐食性棒状物で製造され、前記波エネルギー収集ホッパーは、耐食性硬質材料で製造される。

本発明に係る波力発電装置は海水の上下、前後、左右及び回転などの三次元方向の機械エネルギーを収集し利用することができ、シンプルな構造、高信頼性、環境に優しい建築材料、少ない中間段階、容易な設置、長い耐用年数、高いエネルギー変換率、高パワー出力及び低コストなどのメリットがある。本発明に係る波力発電装置が使用するエネルギーは無汚染エネルギーであり、発電だけではなく、水素の製造、ガスの圧縮、海水の淡水化、食品及び各種類の工業農業製品の加工に用いられるエネルギーも製造することができる。本発明に係る波力発電装置中のエネルギー収集浮動体を利用することにより、海面上での不倒産プロジェクトの開発、倉庫保管、住宅、観光、娯楽環境及び海水養殖、農作物の栽培、家畜家禽の養殖和食品加工などの作業環境の提供を実現することができる。

図１は、本発明の実施例に係る波力発電装置の全体構造を示す図である。 図２は、本発明の実施例における下向きに突出する中央の部分及び薄い周縁部を備えたエネルギー収集浮動体を含む波力発電装置の上面立体図である。 図３は、本発明の実施例におけるエネルギー収集浮動体の波エネルギー収集ホッパーの構造を示す図である。 図４は、本発明の実施例におけるエネルギー収集浮動体上の上下移動可能なバリアの構造を示す図である。 図５は、本発明の実施例に係る潮汐のエネルギー活用発電装置の全体構造を示す図である。 図６は、本発明の実施例に係る波力発電装置を用いる発電動作原理を示す図である。 図７は、本発明の実施例におけるエネルギー収集浮動体の波エネルギー収集ホッパーの別の構造を示す図である。

以下、図面及び実施例を参照しながら、本発明の技術案についてさらに詳しく説明する。

図１、図２に示すように、本発明の実施例は、海上の浮動体を利用して波の上下動と水平動によるエネルギーを収集し発電する波力発電装置を提供する。当該装置は、エネルギー収集浮動体１と、エネルギー収集浮動体１の周囲に吊り下げられる複数のエネルギー変換梃子２及びエネルギー伝達ロード３を含む。ここで、エネルギー収集浮動体１には、広口部が下向きになっている、波の上下移動によるエネルギーを収集するに用いられる複数のラッパ状波エネルギー収集ホッパー１０１を設置し、エネルギー伝達ロード３は、一端がエネルギー収集浮動体１に連結され、他端がエネルギー変換梃子２の下端に嵌装されるように形成され、エネルギー伝達ロード３は、エネルギー収集浮動体１が収集した波の水平動によるエネルギーをエネルギー変換梃子２に伝達するとともに、海面の昇降により、エネルギー変換梃子２に沿って上下移動し、エネルギー変換梃子２は、上端が仕事変換機械５に連結され、下端が海水下にに没しているように形成され、波エネルギー収集ホッパー１０１の上端は、仕事変換機械１０２に連結される。

図１、図２に示すように、エネルギー収集浮動体１の周囲に複数の固定用支持フレーム４を設置し、エネルギー変換梃子２は、軸受８を介して固定用支持フレーム４にヒンジ連結されるとともに、軸受８を中心に回転する。実際の適用においては、固定用支持フレーム４は、鉄筋コンクリートと鋼鉄などの建筑材料で構成することができる。固定用支持フレーム４は、エネルギー収集浮動体１の周囲に架設され、且つ海面の上に位置する。固定用支持フレーム４の架設固定点は、海中の礁、島、灯台或いは砂浜を選択することができる。エネルギー変換梃子２は、ステンレスパイプ、合金材料など、低弾力で剛性のある耐食材料で製造されることができる。実際の適用においては、エネルギー収集浮動体は海洋の干潮と満潮によって昇降することができる。エネルギー収集浮動体は、耐海水腐食性のある丈夫な材料で製造される中空浮動体であり、経済的且つ実用的な好ましい解決手段は、フライアッシュ或いは建築ゴミの粉砕物及びセメントで構成される、中央部分に複数の中空の建築材料を組み合わせて接合することである。ここで、部屋、プールや倉庫などの施設が設置され、その組立体の外層には、海水浸食を防ぐため、釉面構造やテフロン（登録商標）の保護層を使用することができる。エネルギー収集浮動体が海水に浸る部分の筐体は、海洋生物にとって住むことに適する礁からなる。したがって、海藻、巻貝、カキ、カニなどが生息することができるだけではなく、エネルギー収集浮動体の耐用年数を延長することもできる。また、エネルギー収集浮動体の上の空いた場所を汚染されていない土で覆うことにより、作物の栽培或いは動物の飼育を行うことができる。

また、エネルギー収集浮動体の喫水の深さが波の高さより大きい場合の波の上下動によるエネルギーを取得できないという問題を克服するためには、図２に示すように、エネルギー収集浮動体を、中央の部分が厚くて突出して周縁部が薄いようなに形成させることで、エネルギー収集浮動体の周辺の喫水の深さが波の高さより小さくなり、複数の波エネルギー収集ホッパーを設置することができる。また、エネルギー収集浮動体の中央部分が垂下し浮力を増加させることで、その上に住宅施設、貯蔵施設、レクリエーション施設、スポーツ施設、エネルギー施設のうち、いずれかの１つ又は複数のもの（発電所、家屋、レストラン、観光レジャー施設、プールなど）を設置し、海上旅行及び不動産プロジェクトを開発することができる。

図１〜図３に示すように、波エネルギー収集ホッパー１０１の上端は、波エネルギーを伝達する油圧シリンダー１０１１に連結され、油圧シリンダー１０１１内のピストン１０１２は、波の上下動によるエネルギーを、ピストンロッド１０１３と、扇形の歯車１０１５を備えた梃子１０１４とを介して仕事変換機械１０２に伝達する。また、図７に示すように、ピストンロッド１０１３の両側にラックとギアを取り付けるで、ラックとギアの連動によりエネルギーを仕事変換機械に伝達する。実際の適用においては、波エネルギー収集ホッパー１０１は、強化ガラスで製造されてもよく、耐食性のある金属、セラミック又はプラスチックなどの硬質材料で製造されてもよい。波エネルギー収集ホッパー１０１は、軽量の鉄筋コンクリート集積体の間にはめ込まれ、全体を形成する。実際の適用においては、仕事変換機械５及び仕事変換機械１０２は、エネルギー貯蓄機構又は運動エネルギー機械をそれぞれ含める。エネルギー貯蓄機構のエネルギー貯蓄方式は、油圧装置によるエネルギー貯蓄であり、具体的に、油圧アキュムレータ同士は、相互に連結されることにより油圧ステーションを形成し、圧ステーションは、油圧流量弁を介して液体の流量を制御するとともに、油圧モーターを駆動し、油圧モーターは、発電機を駆動して発電させる。運動エネルギー機械は、歯車、クランクシャフト・コネクティングロッド及び／又は油圧シリンダーなどを含む。扇形の歯車１０１５の連動を実現するためには、本実施例の仕事変換機械１０２は歯車である。仕事変換機械５及び仕事変換機械１０２は、それぞれ独立して発電機を駆動して発電させるか、仕事変換機械５を、油圧配管を介して仕事変換機械１０２に連結することで、発電機を共同で駆動して発電させる。

図１、図２に示すように、エネルギー伝達ロード３は、海水の比重よりも小さく、且つ低弾性で靭性の高い耐食性棒状物（例えば、ステンレス鋼又は合金材料で製造される平たいチューブ状の中空棒）で製造される。複数のエネルギー伝達ロード３は、エネルギー収集浮動体１の周囲に設置され、その一端がエネルギー収集浮動体１の側面に連結され、他端はそれに対応するエネルギー変換梃子２の下端に嵌装されるように形成される。エネルギー伝達ロード３は、海水に浮き、海面の起伏により自動的に昇降する。海水の水平動によるエネルギーをエネルギー収集浮動体１に作用する時に、エネルギー収集浮動体１の移動は、エネルギー伝達ロード３を移動させることで、波の水平エネルギーをエネルギー変換梃子２に伝達する。説明すべきことは、エネルギー伝達ロード３及びエネルギー変換梃子２の連結方式は、エネルギー収集浮動体１が収集したエネルギーを仕事変換機械５に伝達するだけではなく、エネルギー収集浮動体１を局所のエリアに相対的に固定し、エネルギー収集浮動体１の揺れの幅を制限し、大きな漂移を回避することができることである。

図４に示すように、波力発電の相対的な安定性を確保し、海水エネルギーの変化に適し、台風などの自然災害に対応するためには、本発明の実施例におけるエネルギー収集浮動体１の周辺に、上下移動可能なバリア１０３も設置することができ、当該バリアは、上下移動をコントロールする複数層の板材から構成されることができる。バリア１０３の上下移動には、昇降ドアのような電動装置又は昇降カーテンのような機械装置を使用することができる。海の波のエネルギーが小さい時、バリアを下向きに移動させ、海水とバリアの受力面積を増加させることで、エネルギー収集浮動体１がより多くのエネルギーを取得することができる。海の波のエネルギーが大きい時、バリアを上向きに移動させ、海水とバリアの受力面積を低減させることで、エネルギー収集浮動体１の負荷が下降し、バリアの波の衝撃力に対する耐力性を向上させる。海の波のエネルギーが非常に大きい時、バリアを上向きに、エネルギー収集浮動体１の最高平面を超えるように移動させることで、海水がエネルギー収集浮動体１に流し込むことを防ぐ。

海洋の潮汐によって生じる潮汐の干満差による位置エネルギーも活用されるためには、本発明の実施例におけるエネルギー収集浮動体１は、図５に示すように、梃子６を介して海洋潮汐の干満差による位置エネルギーを仕事変換機械７に伝達して利用することができる。また、仕事変換機械７は、エネルギー貯蓄機構又は運動エネルギー機械も含める。仕事変換機械７は、独立して発電機を駆動して発電させるか、仕事変換機械７は、油圧配管を介して仕事変換機械５、仕事変換機械１０２に相互に連結され、発電機を共同で駆動して発電させる。

図１〜図６に示すように、本発明の実施例に係る波力発電装置を用いた発電の動作原理は次の通りである。

１）エネルギー収集浮動体１の複数の波エネルギー収集ホッパー１０１は、波の上下動によるエネルギーを、油圧シリンダー１０１１内のピストン１０１２及びピストンロッド１０１３と梃子１０１４を介して仕事変換機械１０２（最後油圧シリンダーに作用する）に伝達し、仕事変換機械１０２は、シリンダー内に入った油圧作動油を加圧後に複数の油圧アキュムレータからなる油圧ステーション１０に搬送する。

２）エネルギー収集浮動体１の周囲にある複数本のエネルギー伝達ロード３は、波の水平動によるエネルギーをエネルギー変換梃子２に伝達し、エネルギー変換梃子２は、得られたエネルギーを仕事変換機械５（最後油圧シリンダーに作用する）に伝達し、仕事変換機械５は、シリンダー内に入った油圧作動油を加圧後に複数の油圧アキュムレータからなる油圧ステーション１０に搬送する。

３）エネルギー収集浮動体１は、潮汐の上下昇降による位置エネルギーを梃子６に伝達し、梃子６は、エネルギーを仕事変換機械７（最後油圧シリンダーに作用する）に伝達し、仕事変換機械７は、シリンダー内に入った油圧作動油を加圧後に複数の油圧アキュムレータからなる油圧ステーション１０に搬送する。

４）油圧ステーション１０は、油圧流量弁１１を介して液体の流量をコントロールして油圧モーター１２を駆動し、油圧モーター１２は発電機１３を駆動して発電させる。説明すべきことは、本発明の実施例に係る波力発電装置は、海上の不動産に使用される場合、エネルギー収集浮動体の厚さを減らすことでエネルギー収集浮動体の揺れを軽減することができることである。

本発明の実施例に係る波力発電装置は海水の上下、前後、左右及び回転などの三次元方向の機械エネルギーを収集し利用することができ、シンプルな構造、高信頼性、少ない中間段階、容易な設置、長い耐用年数、高いエネルギー変換率、高パワー出力及び低コストなどのメリットがある。本発明の実施例に係る波力発電装置が使用するエネルギーは無汚染エネルギーであり、発電だけではなく、水素の製造、ガスの圧縮、海水の淡水化、食品及び各種類の工業農業製品の加工に用いられるエネルギーも製造することができる。本発明の実施例におけるエネルギー収集浮動体の建築材料は、建築廃棄物を使用することで、都市の建築廃棄物処分に関する環境保護の難題を解決することができる。本発明の実施例に係る波力発電装置中のエネルギー収集浮動体を利用することにより、海面上での不倒産プロジェクトの開発、倉庫保管、住宅、観光、娯楽環境及び海水養殖、農作物の栽培、家畜家禽の養殖和食品加工などの作業環境の提供を実現することができる。

本発明の目の、技術案及び好適な効果について、上述した実施例で詳しく説明した。ただし、上記は、本発明の好適な実施方式であるが本発明の実施範囲を限定するものではない。本発明の精神と原則を逸脱することはなく、以上の実施例に対して行う何らかの修正、同等変化及び改造はいずれも本発明の技術案の保護範囲に属する。

Claims (9)

1. エネルギー収集浮動体と、前記エネルギー収集浮動体の周囲に吊り下げられる複数のエネルギー変換梃子及びエネルギー伝達ロードとを含む波力発電装置であって、前記エネルギー伝達ロードは、一端が前記エネルギー収集浮動体に連結され、他端が前記エネルギー変換梃子の下端に嵌装されるように形成され、前記エネルギー伝達ロードは、前記エネルギー収集浮動体が収集した波の水平動によるエネルギーを前記エネルギー変換梃子に伝達するとともに、海面の昇降により前記エネルギー変換梃子に沿って上下移動し、前記エネルギー変換梃子は、上端が第１の仕事変換機械に連結され、下端が海水下に没しているように形成されており、前記エネルギー収集浮動体には、広口部が下向きになっている、波の上下移動によるエネルギーを収集するのに用いられる複数のラッパ状波エネルギー収集ホッパーが設置され、前記ラッパ状波エネルギー収集ホッパーの上端は、波エネルギーを伝達する油圧シリンダーに連結され、前記油圧シリンダー内のピストンは、波の上下動によるエネルギーを、ピストンロッドと梃子とを介して仕事変換機械に伝達し、前記エネルギー収集浮動体は、中央の部分が下向きに突出し、周縁部が薄いように形成されていることを特徴とする波力発電装置。
2. 前記エネルギー収集浮動体の周囲には、複数の固定用支持フレームを設置し、前記エネルギー変換梃子は、軸受を介して前記固定用支持フレームにヒンジ連結されるとともに、前記軸受を中心に回転することを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。
3. 前記エネルギー収集浮動体の周辺には、上下移動可能なバリアを設置することを特徴とする請求項２に記載の波力発電装置。
4. 前記エネルギー収集浮動体は、海洋の潮汐の干満差の位置エネルギーを第３の仕事変換機械に伝達することを特徴とする請求項３に記載の波力発電装置。
5. 前記第１の仕事変換機械、前記第２の仕事変換機械及び前記第３の仕事変換機械は、エネルギー貯蓄機構又は運動エネルギー機械をそれぞれ含むことを特徴とする請求項４に記載の波力発電装置。
6. 前記エネルギー貯蓄機構のエネルギー貯蓄方式は、油圧装置によるエネルギー貯蓄であり、具体的に、油圧アキュムレータ同士は、連結されることにより油圧ステーションを形成し、前記油圧ステーションは、油圧流量弁を介して液体の流量を制御するとともに、油圧モーターを駆動し、前記油圧モーターは、発電機を駆動して発電させることを特徴とする請求項５に記載の波力発電装置。
7. 前記第１の仕事変換機械、前記第２の仕事変換機械及び前記第３の仕事変換機械は、発電機をそれぞれ駆動して発電させ、又は前記第１の仕事変換機械、前記第２の仕事変換機械及び前記第３の仕事変換機械は、相互に連結されることにより、発電機を共同で駆動して発電させることを実現することを特徴とする請求項６に記載の波力発電装置。
8. 前記エネルギー収集浮動体は、耐海水腐食性のある丈夫な材料で製造される中空浮動体であり、前記エネルギー収集浮動体の上には、住宅施設、貯蔵施設、レクリエーション施設、スポーツ施設、エネルギー施設のうち、いずれかの１つ又は複数のものを設置し、その上の空いた場所を汚染されていない土で覆うことにより、作物の栽培或いは動物の飼育を行い、前記エネルギー収集浮動体は、海水に浸された部分の筐体が海洋生物にとって住むことに適する礁からなることを特徴とする請求項７に記載の波力発電装置。
9. 前記エネルギー変換梃子は、低弾性で剛性のある耐食性材料で製造され、前記エネルギー伝達ロードは、海水よりも比重が低い、且つ、低弾性で靭性の高い耐食性棒状物で製造され、前記波エネルギー収集ホッパーは、耐食性硬質材料で製造されることを特徴とする請求項８に記載の波力発電装置。

Images