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JPH0819894B2 - 波浪エネルギ−変換装置 - Google Patents

波浪エネルギ−変換装置

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Publication number
JPH0819894B2
JPH0819894B2 JP62091230A JP9123087A JPH0819894B2 JP H0819894 B2 JPH0819894 B2 JP H0819894B2 JP 62091230 A JP62091230 A JP 62091230A JP 9123087 A JP9123087 A JP 9123087A JP H0819894 B2 JPH0819894 B2 JP H0819894B2
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JP
Japan
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floating body
wave energy
wave
sectional area
during operation
Prior art date
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JP62091230A
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English (en)
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JPS63255571A (ja
Inventor
淳夫 安房
茂 中塚
成夫 大石
嘉昭 荒木
順吉 井上
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JNC Corp
Original Assignee
Chisso Corp
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Publication date
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Expired - Fee Related legal-status Critical Current

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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Landscapes

  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は波浪エネルギー変換装置に関し、特に浮体内
で一方向に回転する偏心回転体を用いた波浪エネルギー
変換装置に関するものである。
〔従来の技術〕
波浪のエネルギー変換装置については従来波動を伴な
う水面の変化を利用して、これにより海水または空気の
流れを生じせしめ、流体力学的にエネルギーを取出すも
のが提案され一部実用化されている。また浮体内で一方
向に回転する偏心回転体を利用する波浪エネルギー変換
装置も提案されている。(特開昭57−68566、実開昭53
−43146) 〔発明が解決しようとする問題点〕 波動に伴なう水面の変化を利用するエネルギー変換装
置は水中に露出した可動部分の腐食や水生生物の付着に
より装置の寿命が短いこと、安定していない流れより機
械的エネルギーを取出すため水力効率が低いこと等の問
題がある。また浮体内で一方向に回転する偏心回転体を
利用するものは偏心回転体の回転数と波浪の振動数とが
所定の範囲内の位相差を保ちながら一致することが必須
条件とされるが、従来浮体と波浪とが共振状態となる場
合の水平軸回りに回転する偏心回転体の回転状態の安定
性について解明されておらず、浮体の固有振動数を波浪
の振動数に近ずけた波浪エネルギー変換装置については
提案されていなかった。本発明は上記問題点を解決する
ためになされたもので、偏心回転体を内蔵する浮体の固
有振動数を一定の条件のもとに波浪の振動数に近ずけて
稼動可能期間の長いしかも効率の高い波浪エネルギー変
換装置を提供することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
波浪により浮体に与えられる機械的エネルギーの主要
部を占める浮体の上下動を利用するために、浮体内に水
平軸で支持される偏心回転体を設け、出現頻度の最も高
い波浪周期またはエネルギー分布曲線上最大値を有する
波浪周期のいずれか一方から選ばれる設計波浪周期
(Td)より計算される波浪の設計円振動数(Wd=2π/
Td)と、浮体の喫水線上断面積と浮体質量とで定る固有
円振動数Wnとの比(Wd/Wn)を0.6乃至1.1の範囲となる
ようにする。
〔作用〕
本発明における浮体と偏心回転体との運動を明らかに
するために第1図に示すモデルについて数値計算が行わ
れ、また第2図に示す装置について実験が行われた。
第1図において浮体Mは偏心回転体の質量mを含めて
質量Mを有し、ばね定数KのばねKと減衰計数Cである
ダンパーCで支えられている。またばねKは変位 で運転する振動板で支えられている(但しtは時間示
す)偏心回転体は質量mが回転半径rで回転するものと
して近似する。浮体の平衡位置よりの変位X*および偏心
回転体の回転角φを一般座標とし、浮体に作用する上下
方向の力および偏心回転体の回転軸に作用するモーメン
トを各々の一般力としてラグランジュの運動方程式が下
記のように表わされる。
但しTrは偏心回転体の出力転に伝えられるトルクで ここにTG▼:偏心回転体に接続された発電機の負荷ト
ルク Tb:機械的制動トルク ▲C* b:回転体系の機械損失係数である またJは回転体系の慣性モーメントでありgは重力加速
度である。
式(1)は非線型の振動方程式であり数学的に厳密な
解は求められないが偏心回転体と振動板との位相差を
θ、即ちφ=wt+θとし、θがwtの一週期にわたり変化
が小さい場合について一周期にわたり平均化して、近似
計算が行われた。このようにして定常状態となる各種位
相及び振巾について計算された。この結果は第3図に示
される。グラフの横軸は振動数比η=W/Wn但しWnは浮体
固有円振動数 である。図において、 A0 :浮体の振巾/H θ:偏心回転体の位相 ξ:浮体の位相 θ:偏心回転体の位相差(=θ−ξ)である。
更に上記位相が定常値よりずれた場合に安定状態にな
るかどうかについて計算が行われ不安定の範囲は第3図
の曲線中破線で示されている。
上記計算結果の妥当性を確認するために第2図に示す
装置により実験が行われ、得られた値が第3図のグラフ
上にプロットされている。
第2図において浮体Mは一端は揺動可能に軸支されて
おり他端は の変位で振動する振動板でばね定数KのばねKを介して
支えられている。浮体Mの質量はMであり固定壁との間
に減衰係数CのダンパーCが設けられている。浮体M上
に水平方向の軸により回動自在に支えられている偏心回
転体mの質量はmであり回転半径はrである。偏心回転
体の回転が増速機を介して伝えられる発電機の負荷の値
はスイッチにより変更できるようになっている。
第3図における符号は○:ξ,●:θ,△:
θ,▲:A0である。
上記計算および実験に用いられたパラメータを第1表
に示す。
但し等価減衰比におけるCcは臨界減衰係数を示す。第1
表に示すパラメータと異なるパラメータについても計算
および実験が行われた。その結果不安定域のηの下限
(≒1.1)については変らず上限が変るのみであった。
計算による不安定域と実験により示された不安定の範囲
は比較的よく一致しておりこの領域においては偏心回転
体の回転は乱れ、あるいは停止した。
更に波浪の利用可能エネルギーに対する変換エネルギ
ーの比(効率Ψ%)、回転軸出力Pnet、回転軸トルクTr
(max)について計算および実験が行われその結果を第
4図に示す。
第3図および第4図から次の事実が明らかにされる。
すなわち振動数比ηは0.6以上であることがエネルギー
変換効率を高めるために望ましく、またη<1.1である
ことが安定した出力が得られるために望ましい。
海面に発生する波浪の周期は比較的広い範囲に分布し
ているが、長期間にわたりこれを観測するとそのエネル
ギー分布および出現頻度分布は一定の曲線上に存在して
いる。第5図に波浪発電試験船「海明」により観測され
た結果を示す。第5図のグラフによると最多出現頻度を
示す波の周期はエネルギー分布曲線上最大値を示す波の
周期より小さい。(円振動動数Wについては逆の関係が
成り立つ) 以上述べた事実より変換される波浪エネルギーを最大
にするためにはエネルギー分布曲線上最大値を有する波
浪円振動数を設計円振動数WdとしてWd/Wnが0.6乃至1.1
の範囲になるように浮体の固有円振動数Wnを定めること
が望ましいことが分る。また一定期間中波浪エネルギー
を利用できる期間をできるだけ長くし、しかも効率のよ
い運転を可能とするためには出現頻度の最も高い波浪円
振動数を設計円振動数WdとしてWd/Wnが0.6乃至1.1の範
囲になるように浮体の固有円振動数Wnを定めることが有
利である。
〔実施例〕
以下第6図乃至第10図を参照して本発明の実施例を説
明する。
第6図および第7図に示す第1の実施例において、海
面5上に浮遊する浮体1の内部に偏心回転体2が水平軸
6で回動自在に支えられている。水平軸6は増速機3を
介して発電機4と接続されている。発電機4は浮体1の
外部とケーブル7で接続されており発電機および電動機
としての機能と同時に偏心回転体に対するフライホイー
ルとしての機能を有する。海面の上下動に対する浮体の
上下動の位相差は図示していない水面計により測定され
また偏心回転体2の基準位置よりの回転角は図示してい
ない角度計で測定される。浮体2の喫水線での水平断面
積は上下方向で一定であり従って等価ばね定数Kも一定
となる。浮体の質量をMとして浮体の固有円動数Wnで求められる。波浪の設計円振動数WdとWnとの比Wd/Wn
は0.6乃至1.1の範囲とされるがその中間値すなわち0.85
程度とすることが広い範囲の周期の波に対して有効にエ
ネルギーを変換できるので望ましい。本装置を起動する
ときはまず発電機1を電動機として作用させ偏心回転体
と浮体との波面に対する位相の差が所定の範囲で安定す
る迄偏心回転体を加速する。その後発電機1を発電機と
して作用させるように接続を切換えて波浪エネルギーを
電力として使用する。偏心回転体が波浪エネルギーを受
け取る大きさは浮体の振動に対する偏心回転体の回転遅
れ角度をαとしてsinαに比例する。従って遅れ角が大
きくなると偏心回転体の回転速度は速くなり、波浪の円
振動数Wと固有円振動数Wnの比が1.1以下の範囲では偏
心回転体は波浪と同期して回転する。但し発電機から取
り出せる出力には限界があるので上記遅れ角度αを検出
しながら発電機負荷の調整を行なう。発電機の負荷が充
分余裕のある下限に限られている場合は上記制御を行な
わなくても広い範囲にわたり装置が運転可能となる。
本発明の第2、第3、第4の実施例の浮体の断面が第
8図乃至第10図に示されている。これらの実施例では浮
体内部に第1の実施例と同様の構成要素を有している。
第2の実施例では喫水線の上方および下方の断面積が大
きくなっているので浮体の振巾が大きくなると固有円振
動数Wnは大きくなる。波浪の円振動数Wが大きい場合は
浮体と波浪とが共振状態となり浮体の振巾が大きくなり
従ってWnが大きくなる。その場合W/Wnは1.1以下の状態
が保たれ装置が稼動可能となる。
第9図に示す第3の実施例では喫水線の上方および下
方で水平断面積が小さくなっているので浮体の振巾が大
きいときに固有円振動数は小さくなる。一般に波浪の周
期の長いときは振巾が大きくなるので、その場合はWn
小さくなりW/Wnが1に近ずくので、この装置では波浪の
周期の長い場合に高いエネルギー変換効率を有するよう
になる。第10図に示す第4の実施例ではバラストタンク
8内にポンプで水を注入または排出することによりWn
変えることができる。バラストタンク内に水が注入され
ている場合は浮体重量Mが増大し、また喫水線が上昇す
るので等価ばね定数Kが減少するので は小さくなる。バラストタンクから水を排水するときは
逆にWnは大きくなる。このようにして発生する波浪の周
期に合せて浮体の固有円振動数を調整することができる
から波浪の周期の広い範囲にわたって効率のよいエネル
ギー変換が可能となる。
〔発明の効果〕
本発明による波浪エネルギー変換装置は可動部分が浮
体内部に収納されているので海水による腐蝕が発生せず
保守が容易であり装置の寿命も長い。またエネルギーは
一方向の滑らかな回転運動として取出されるので機械効
率が高い。更に浮体の上下動を利用して浮体の振動と波
浪の上下動が共振に近い状態に保たれるので波浪から浮
体へのエネルギー伝達量が大きくなり、装置を波浪の広
い周期範囲にわたり全体として高いエネルギー変換効率
で稼動させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による装置の力学モデルを示す図面、第
2図は同実験装置を示す図面、第3図および第4図は上
記力学モデルおよび実験装置による計算結果および実験
結果を示すグラフ、第5図は波浪のエネルギー分布およ
び出現頻度を示すグラフ、第6図は本発明の第1の実施
例における横断面図、第7図は同縦断面図、第8図乃至
第10図は本発明の第2乃至第4の実施例を示す断面図で
ある。 1…浮体、2…偏心回転体、3…増速機、4…発電機、
5…海面、6…軸、7…ケーブル、8…バラストタン
ク。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】浮体が受ける波浪エネルギーを、前記浮体
    の内部に回転自在に水平軸で支持された偏心回転体の回
    転エネルギーに変換する波浪エネルギー変換装置におい
    て、出現頻度の最も高い波浪周期またはエネルギー分布
    曲線上最大値を有する波浪周期のいずれか一方から選ば
    れる設計波浪周期(Td)より計算される波浪の設計円振
    動数(Wd=2π/Td)と、浮体の喫水線上断面積と浮体
    質量とで定る固有円振動数Wnとの比(Wd/Wn)を0.6乃
    至1.1の範囲としたことを特徴とする波浪エネルギー変
    換装置。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項記載の波浪エネルギ
    ー変換装置において、浮体の静止時喫水線より高く稼動
    時に水面下に沈む位置および浮体の静止時喫水線より低
    く稼動時に水面上に露出する位置における水平断面積を
    静止時喫水線の水平断面積より実質的に大きくしたこと
    を特徴とする波浪エネルギー変換装置。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項記載の波浪エネルギ
    ー変換装置において、浮体の静止時喫水線より高く稼動
    時に水面下に沈む位置および浮体の静止時喫水線より低
    く稼動時に水面上に露出する位置における水平断面積を
    静止時喫水線の水平断面積より実質的に小さくしたこと
    を特徴とする波浪エネルギー変換装置。
  4. 【請求項4】特許請求の範囲第1項記載の波浪エネルギ
    ー変換装置において、浮体内に設けたバラストタンクに
    注水もしくは排水することにより浮体の質量を実質的に
    増加もしくは減少させることを可能にした波浪エネルギ
    ー変換装置。
  5. 【請求項5】特許請求の範囲第4項記載の波浪エネルギ
    ー変換装置において、稼動時水面を上下する部分の水平
    断面積を上方において小さく、下方において大きくした
    ことを特徴とする波浪エネルギー変換装置。
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