JP5612764B2 - 波力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気を発生させる波力発電装置に関する。

一般的な発電方法としては、水力を利用した水力発電、化石燃料を利用した火力発電、原子力を利用した原子力発電などがある。

これらの発電方法は、大規模の発電設備や発電設備を稼動するために莫大な量のエネルギー源が必要であり、設置場所に制約がある。

特に、火力発電に利用されるエネルギー源としての石油や石炭などの化石燃料は、他の燃料に比べてその依存度が非常に大きいため、資源枯渇などの問題を引き起こし、その使用が永久的でないという限界があった。また、大気汚染や放射能漏れの恐れがあり、環境親和的ではないという問題があった。

このように、近年、化石燃料の枯渇や環境汚染の問題点が指摘され、そこで、自然エネルギーを直接的に利用して電気を発生させることができ、大規模の発電設置が不要である代替エネルギーの開発が求められている。

このような代替エネルギーを利用する装置として、太陽熱、潮力、波力、風力及び水力などの自然エネルギーを利用して親環境的で、永久的にエネルギー源を活用することができる発電装置が開発されつつある。

このような発電装置の一例として、波力発電装置は、波による浮体の並進または回転運動を利用した形態で、このような運動エネルギーを変換して電気エネルギーを生産する装置である。

従来の波力発電装置は、発電効率を高めるために波エネルギーをできるだけ多く浮体の運動に伝達するようにし、その方法に応じて様々な形態の浮体の形状が提案されている。

しかし、従来の波力発電装置は波エネルギー自体を直接利用するので、海上状態により発電効率が低くなったり、さらに穏かな海上条件では発電効率が急激に落ちたりするという問題があった。また、従来の波力発電装置は、発電効率を高めるために波エネルギーが大きい場所に設置する場合は、発電装置自体が損傷を受ける危険性があった。このように、従来の波力装置は、発電可能な地域が制限され、安定的な電気を持続的に生産することができず、これにより実質的な電気生産効率が低く、経済性及び実用性が劣る要因となっている。

本発明の一実施例は、浮体が海上の造波特性に合わせて運動するようにし、共振による運動エネルギーを増加させて発電効率を向上させる波力発電装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面による波力発電装置は、波により揺動する上部構造体と、水線面の下方に設置され、上部構造体を回転可能に支持する下部構造体と、上部構造体または下部構造体のうちのいずれかに設けられ、上部構造体の回転時に発生する運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部と、上部構造体に設けられ、波の周期と上部構造体の揺動する周期とを調整するために上部構造体の重心を移動させる重心移動部と、を含む。

発電部の駆動軸は、上部構造体のピボット（ｐｉｖｏｔ）軸に連結されることができる。

上部構造体のピボット軸と発電部の駆動軸との間に設けられた減／加速器をさらに含むことができる。

上部構造体の重心は、上部構造体の浮力中心よりも低く位置してもよい。

上部構造体の側面は、上部から下部に行くほど幅が増加され、上部構造体のピボット軸から下部に行くほど幅が細くなる水滴形状に形成されてもよい。

重心移動部は、上部構造体で上下に設けられた回転軸と、回転軸の一側に設けられた重量体と、回転軸を回転させて重量体を昇降させる駆動部と、を含むことができる。

重心移動部は、上部構造体で上下に設けられ、一側にギアー部が形成されたロッドと、ロッドの他側に設けられた重量体と、ロッドのギアー部に噛み合って重量体が昇降するようにロッドを移動させる回転ギアーと、を含むことができる。

重心移動部は、上部構造体の内部に設けられたアクチュエータ（ａｃｔｕａｔｏｒ）と、アクチュエータの一側に設けられ、アクチュエータにより昇降する重量体と、を含むことができる。

重心移動部は、上部構造体の内部に設けられたバラスト（ｂａｌｌａｓｔ）タンクと、バラストタンクに連結され、バラスト水を供給または排出するバラストポンプと、を含むことができる。

波力発電装置を水線面に対して一定の高さに維持するための支持部材をさらに含むことができる。

支持部材は、海底面に設置され、下部構造体に連結される少なくとも一つのワイヤを含むことができる。

支持部材は、海底面に固定設置され、下部構造体に設けられた支柱を含むことができる。

本発明の一実施例に係る波力発電装置の正面図である。 本発明の一実施例に係る波力発電装置の側面図である。 本発明の一実施例に係る波力発電装置の内部を簡略に示した図面である。 本発明の一実施例に係る上部構造体の波周期による縦動揺応答特性（ＲＡＯ）を示すグラフである。 本発明の一実施例に係る上部構造体の実際の海上状態に対する運動応答を示すグラフである。 本発明の一実施例に係る波力発電装置の上部構造体を概略的に図示した斜視図である。 本発明の他の実施例に係る波力発電装置の内部を簡略に示した図面である。 本発明のまた他の実施例に係る波力発電装置の内部を簡略に示した図面である。 本発明のまた他の実施例に係る波力発電装置の内部を簡略に示した図面である。

本発明は多様な変換を加えることができ、様々な実施例を有することができるため、特定実施例を図面に例示し、詳細に説明する。

以下、本発明に係る波力発電装置を添付図面に基づいて詳細に説明し、添付図面を参照して説明するに当たって、同一または対応する構成要素には同一の図面番号を付し、これに対する重複説明は省略する。

図１は、本発明の一実施例に係る波力発電装置の正面図であり、図２は、本発明の一実施例に係る波力発電装置の側面図である。また、図３は、発明の一実施例に係る波力発電装置の内部を簡略に示した図面である。

図１乃至図３を参照すると、本実施例に係る波力発電装置１は、上部構造体１０、ピボット軸１１、重心移動部１２、回転軸１３、重量体１４、下部構造体２０、発電部２２、及び支柱２４を含むことができる。

本実施例に係る波力発電装置１は、波により揺動する上部構造体１０を有し、この上部構造体１０は、水線面の下方に設置された下部構造体２０に回転可能に設置される。ここで、水線面とは、海水表面をいい、下部構造体２０は海水に沈んだ状態で設置されることができる。また、上部構造体１０は、両側が下部構造体２０により固定されて横方向への回転が制限され、縦方向への縦動揺のみ発生することになる。

本実施例による波力発電装置１は、水深の低い海域に設置されてもよく、このとき、下部構造体２０が海底面に固定設置されることができる。

一方、波力発電装置１は、水に浮かぶことができ、これにより、波力発電装置１を一定の高さに維持するための支持部材をさらに含むことができる。

したがって、本実施例による波力発電装置１が設置される海域の水深に応じて、波力発電装置１は、様々な方式の支持部材により一定の高さに係留されることができる。

一例で、上部構造体１０が水線面の下方に位置する場合、下部構造体２０の下部に支持部材を設け、波力発電装置１を一定の高さに係留させることができる。このとき、支持部材は、海底面に固定設置される支柱２４からなることができる。支柱２４は、その下部が海底面に挿入されて固定され、その上部は下部構造体２０の一側に結合されて下部構造体２０を支持することになる。本実施例での支柱２４は、鉄柱、パイプまたはトラス（ｔｒｕｓｓ）形態の固定式構造物であってもよい。

本実施例で波力発電装置１は、下部構造体２０が海底面に設置された支柱２４により一定の高さに固定設置されるものとして説明したが、これに限定されず、波力発電装置１が設置される海域の水深または海上状態に応じて様々な形態で設置することができる。

一例として、本実施例で支持部材は、海底面に設置され、下部構造体２０に連結される少なくとも一つのワイヤ（ｗｉｒｅ）を含むことができる。このワイヤは単線の鋼線から構成されてもよく、複数の鋼線を縒り合わせた形態のテンドン（ｔｅｎｄｏｎ）から構成されてもよい。またワイヤは、チェーン（ｃｈａｉｎ）または環状のものが連続的に結合して形成された鉄索など様々な形態を用いることができる。

本実施例で波力発電装置１は、波に対する縦動揺を大きくするために上部構造体１０を波の進行方向に向けて設置することができる。すなわち、上部構造体１０は、正面部が波に当たる方向に設置され、この波により前後方向に縦動揺が発生する。

上部構造体１０の側面は、上部の幅が狭く、下部に行くほど幅が増加する。また、上部構造体１０の側面は、下部構造体２０により支持されるピボット（ｐｉｖｏｔ）軸１１部分から下部に行くほど幅が細くなる。このような上部構造体１０の側面は、全体的な形状がだるま形状または水滴形状に形成され、これにより、上部構造体１０は波により前後方向への縦動揺が発生しやすく、もとの位置に戻りやすくなる。

また、上部構造体１０は、重心が低く形成されて、上下運動が抑制され、大きな復原力を有することになる。一例で、上部構造体１０は、海水により浮力を受けると重心を浮力中心よりも低く位置することができる。

また、波力発電装置１は上部構造体１０の縦動揺時に発生する回転力による運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部２２を含むことができる。

発電部２２は、上部構造体１０または下部構造体２０のうちのいずれかに設けられることができ、一例として、本実施例で発電部２２は、下部構造体２０の両側に設けられ、発電部２２はそれぞれの駆動軸が上部構造体１０のピボット軸１１の端部にそれぞれ連結されることができる。

本実施例で発電部２２は下部構造体２０に設けられているが、発電部２２が設けられる位置や個数などは限定されず、多様に変更されることができる。一例で、発電部２２は、上部構造体１０の内側に設けられてもよい。また、発電部２２は、一つからなり、上部構造体１０のピボット軸１１の一側に設けられるか、二つからなり、上部構造体１０のピボット軸１１の両側にそれぞれ設けられることができる。本実施例で発電部２２は公知の様々な技術を採用できるので、連結構造または作用などに関する詳細な説明は省略する。

本実施例で発電部２２は、上部構造体１０のピボット軸１１に連結されて、回転運動が直接的に伝達でき、上部構造体１０のピボット軸１１と発電部２２の駆動軸との間に減／加速器（図示せず）をさらに設けられることができる。

減／加速器は、上部構造体１０の回転運動を増幅させて発電部２２の駆動軸へ伝達し、これにより発電効率をさらに高めることができる。

本実施例の波力発電装置１は、上部構造体１０の重心を移動させる重心移動部１２を含むことができる。

重心移動部１２は、上部構造体１０の重心を移動させることにより、上部構造体１０の縦動揺する周期を波の周期と共振させることができ、これにより、上部構造体１０が小さな大きさの波でも大きく縦動揺することができる。

このように、上部構造体１０の縦動揺する周期と波の周期とを共振させることにより安定的に電気を生産することができる。つまり、波の大きさが小さいとき（波の周期が短い場合）は、上部構造体１０の重心を浮力中心に近くすることにより、波の小さな力でも上部構造体１０の縦動揺を大きく発生させることができる。また、波の大きさが大きいとき（波の周期が長い場合）は、上部構造体１０の重心を浮力中心から遠くすることにより、波の大きな力でも上部構造体１０が安定的に縦動揺することができる。

本実施例で重心移動部１２は、上部構造体１０で上下に設けられた回転軸１３を含むことができる。また、この回転軸１３の一側には重量体１４が結合されて設けられることができる。

また、回転軸１３には駆動部１５が設けられており、この駆動部１５の作動により回転軸１３が回転し、重量体１４を上下に昇降させることができる。

本実施例の重心移動部１２は、重量体１４を上下に昇降させることにより上部構造体１０の重心を調整することができる。

このために、回転軸１３の外周面には螺旋部が形成されることができる。また、重量体１４の中央部には、この回転軸１３が挿入される孔が形成されており、この孔の内周面には回転軸１３の螺旋部に結合される螺旋部が形成されることができる。

したがって、駆動部１５が回転軸１３を回転させると、重量体１４が回転軸１３の螺旋部に沿って上下に昇降することになる。このとき、上部構造体１０には重量体１４の移動を案内し、重量体１４の回転を防止するガイド（図示せず）が設けられることができる。

一例で、駆動部１５は、モータ（ｍｏｔｏｒ）を含むことができ、このモータの駆動軸は回転軸１３の端部に結合されることができる。

本実施例では、重量体１４が駆動部１５の回転により昇降するように設けられているが、これに限定されず、様々な形態に変形されることができる。

一例として本実施例では、駆動部１５のモータの駆動軸が回転軸１３に連結されていると説明したが、モータの駆動軸は、この回転軸１３と並列に配置されて間接的に駆動力を伝達することもできる。このために、回転軸１３の一側には被動ギアーが設けられ、駆動軸の端部には被動ギアーに噛み合う主動ギアーを設けて駆動力を伝達することも可能である。

図４は、本発明の一実施例に係る波力発電装置の上部構造体を概略的に図示した斜視図である。

図４及び表１を参照して、本発明の一実施例に係る波力発電装置１の縦動揺応答特性を求めるための上部構造体１０の諸元を説明すると、次の通りである。

一例として、本実施例で上部構造体１０は、波が進行する正面の幅Ｌ１が、約２０ｍであり、海上の高さである水線面に位置する側面の長さＬ２が、約３．４ｍであり、水に沈んだ長さである喫水Ｌ３が、約１４．１ｍであるものを用いることができる。このような上部構造体１０は、排水量が約２０３６．３ｔｏｎであり、重心Ｃの高さＬ４は、下端から３．１ｍ上部に位置することができる。

また、上部構造体１０は、縦動揺の復原力を決定する浮力中心のメタセンター（ＧＭ）の高さＬ５が、下端から約３．３３ｍ上部に位置することができる。

このような、上部構造体１０は、約４ｍの慣性半径内で縦動揺することができる。

図５は、本発明の一実施例に係る上部構造体１０の波周期による縦動揺応答特性（ＲＡＯ）を示すグラフであり、図６は、本発明の一実施例に係る上部構造体１０の実際の海上状態に対する運動応答を示すグラフである。

本発明の実施例において、波力発電装置１が設置される海上の波周期が５〜８秒である場合、上部構造体１０は、重心移動部１２を調整して上部構造体１０の縦動揺する周期を海上の波周期である５〜８にして共振させることができる。

本実施例において、縦動揺応答特性（ＲＡＯ）は、変位が１ｍである任意周期の波が来た時、浮体の縦動揺運動が何度になるかを波周期に応じて表示した値である。

また、上部構造体１０の波周期に対する縦動揺運動応答特性（ＲＡＯ）は、図５のように示すことができる。ここで、図５のｘ軸（横軸）は、波の周期を示し、ｙ軸（縦軸）は、各周期波に対する浮体の応答を示す。

図６に示すように、上部構造体１０は、重心移動部１２を調整して海上波の周期である６．５秒と共振させることができ、これにより、上部構造体１０が約６．５度の周期で縦動揺することができる。

したがって、上部構造体１０は、変位１ｍの波が来たとき、約６．５度の縦動揺運動をすることが分かる。

図５を参照して、実際の各周期に該当する海上状態を実現すると、図６のような縦動揺運動応答が分かる。

図６に示すように、上部構造体１０は、海上状態に応じて約１０度から約２０度の間で過大な縦動揺運動をすることになり、上部構造体１０の共振点を波周期の近傍に位置させると、実際の波エネルギーから直接的に求められる運動応答以上の過大な運動を得ることができる。また、上部構造体１０の重心を上下に移動させて上部構造体１０の縦動揺周期を波周期に一致させることができ、これにより、各海上状態に応じて最大運動を実現することができる。

本実施例において、上部構造体１０の形状は、だるま形状または水滴形状に形成されていると説明したが、これに限定されず、上部構造体１０の縦動揺周期を海上状態の波周期に共振させることができる様々な形状に形成されることができる。一例で、上部構造体１０は、三角形状、瓢状などのように、水線面の下方に行くほど体積が大きくなる様々な形状に形成されることができる。

また、上部構造体１０は、波力を大きく受けるために、波を受ける正面の上下方向の長さを長くすることができ、上部から見ることを基準として全体的な形状が前後方向に曲がった形状または円弧形状に形成されることができる。また、上部構造体１０の上下方向の長さは構造強度や製作性などを考慮して設計変更することができる。

一方、図７は、本発明の他の実施例に係る波力発電装置１の内部を簡略に示した図面であって、重心移動部１１２は上部構造体１０で上下に設けられた回転軸１１３を含むことができる。そして、回転軸１１３の外周面には螺旋部が形成されることができる。また、回転軸１１３の端部に重量体１１４が設けられることができる。

この回転軸１１３には駆動部１１６が連結されることができる。駆動部は、モータを含むことができ、このモータの駆動軸には回転軸１１３の螺旋部に噛み合う回転ギアー１１５が設けられることができる。

このような重心移動部１１２は、駆動部１１６が作動することにより回転ギアー１１５が回転し、この回転ギアー１１５に噛み合った回転軸１１３を回転させる。そして、回転軸１１３は、回転により上部構造体１０の内で上下に移動することになる。このとき、回転軸１１３の端部に設けられた重量体１１４は、回転軸１１３の上下移動により、上下に移動することになり、上部構造体１０の重心を調整することができる。

図８は、本発明のまた他の実施例に係る波力発電装置１の内部を簡略に示した図面であって、重心移動部２１２は、上部構造体１０で上下に設けられ、一側にギアー部が形成されたロッド２１３を含むことができる。そして、このロッド２１３の他側には重量体２１４が設けられることができる。一方、ロッド２１３のギアー部にはこのギアー部に噛み合う回転ギアー２１５が設けられることができる。回転ギアー２１５は、モータ（図示せず）により駆動力が伝達され、この駆動力によりロッド２１３を移動させて重量体２１４を昇降させることができ、これにより上部構造体１０の重心を調整することができる。

図９は、本発明のまた他の実施例に係る波力発電装置１の内部を簡略に示した図面である。

図９を参照すると、本実施例の重心移動部３１２は、上部構造体１０の内部にアクチュエータ（ａｃｔｕａｔｏｒ）３１３を含むことができる。このアクチュエータ３１３は、一つまたは複数であってもよく、このアクチュエータ３１３の一側には重量体３１４が設けられることができる。重量体３１４は、アクチュエータ３１３の作動により昇降され、上部構造体１０の重心を調整することができる。

本実施例で重心移動部は、上述の実施例以外にも様々な形態に変形可能であり、このような実施例を一つ以上組み合わせて適用できることは明らかである。また、重心移動部は、上部構造体の内部にバラストタンク（ｂａｌｌａｓｔ ｔａｎｋ）を設置し、このバラストタンクに連結されてバラスト水（ｂａｌｌａｓｔ ｗａｔｅｒ）を供給または排出するバラストポンプ（ｂａｌｌａｓｔ ｐｕｍｐ）を含むことも可能である。

このように、重心移動部がバラストタンク及びバラストポンプを含む構成は、上述した実施例の重心移動部と干渉しないようにしながら、追加に設置することができる。

以上では、本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば本願の特許請求の範囲に記載した本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で本発明を多様に修正及び変更することができることを理解できよう。

本発明の実施例により、上部構造体の縦動揺を波の周期と共振させることができ、これにより、上部構造体の回転量を増加させることができるので、発電効率を高めることができる。

１ 波力発電装置
１０ 上部構造体
１１ ピボット軸
１２ 重心移動部
１３ 回転軸
１４ 重量体
２０ 下部構造体
２２ 発電部
２４ 支柱

Claims (11)

1. 波により揺動する上部構造体と、
   水線面の下方に設置され、前記上部構造体を回転可能に支持する下部構造体と、
   前記上部構造体または前記下部構造体のうちのいずれかに設けられ、前記上部構造体の回転時に発生する運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部と、
   前記上部構造体に設けられ、前記波の周期と前記上部構造体の揺動する周期とを調整するために前記上部構造体の重心を移動させる重心移動部と、を含み、
   前記上部構造体の側面は、上部から下部に行くほど幅が増加し、前記上部構造体のピボット軸から下部に行くほど幅が細くなる水滴形状に形成されたことを特徴とする波力発電装置。
2. 前記発電部の駆動軸は、前記上部構造体のピボット（ｐｉｖｏｔ）軸に連結されることを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。
3. 前記上部構造体のピボット軸と前記発電部の駆動軸との間に設けられた減／加速器をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の波力発電装置。
4. 前記上部構造体の重心は、前記上部構造体の浮力中心よりも低く位置することを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。
5. 前記重心移動部は、
   前記上部構造体で上下に設けられた回転軸と、
   前記回転軸の一側に設けられた重量体と、
   前記回転軸を回転させて前記重量体を昇降させる駆動部と、を含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の波力発電装置。
6. 前記重心移動部は、
   前記上部構造体で上下に設けられ、一側にギアー部が形成されたロッドと、
   前記ロッドの他側に設けられた重量体と、
   前記ロッドのギアー部に噛み合って前記重量体が昇降するように前記ロッドを移動させる回転ギアーと、を含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の波力発電装置。
7. 前記重心移動部は、
   前記上部構造体の内部に設けられたアクチュエータと、
   前記アクチュエータの一側に設けられ、前記アクチュエータにより昇降する重量体と、を含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の波力発電装置。
8. 前記重心移動部は、
   前記上部構造体の内部に設けられたバラストタンク（ｂａｌｌａｓｔ ｔａｎｋ）と、
   前記バラストタンクに連結され、バラスト水（ｂａｌｌａｓｔ ｗａｔｅｒ）を供給または排出するバラストポンプ（ｂａｌｌａｓｔ ｐｕｍｐ）と、を含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の波力発電装置。
9. 前記波力発電装置を水線面に対して一定の高さで維持するための支持部材をさらに含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の波力発電装置。
10. 前記支持部材は、海底面に設置され、前記下部構造体に連結される少なくとも一つのワイヤを含むことを特徴とする請求項９に記載の波力発電装置。
11. 前記支持部材は、海底面に固定設置され、前記下部構造体に設けられる支柱を含むことを特徴とする請求項１０に記載の波力発電装置。

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