JPS63255571A - 波浪エネルギ−変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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に伴なう
水面の変化を利用して、これにに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〔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
的エネルキ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Ｉプた波浪１ネルギ一変換装回については
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【ノ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Ｉζ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【プ、出現頻度の最も高
い波浪周期またはエネルギー分布面線上最大値を有づる
波浪周期のいずれか一方から選ばれる設計波浪周期（王
、）より計算される波浪の設計円振動数（Ｗ、＝２π／
Ｔ、）と、浮体の喫水線上断面積と浮体質量とで定る同
右円振動数Ｗｎとの比（Ｗｄ／Ｗｏ）が０．６乃至１．
１の範囲となるようにする。

〔作　用〕

本発明にお【ノ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ｆｉ１ｍを含め
て質量Ｍを有し、ばね定数にのばねＫと減衰係数Ｃであ
るダンパーＣで支えられている。また動板で支えられて
いる（但しｔは時間示す）偏心回転体は質１ｄｍ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＊おにび偏心回転体の回転角φを一般座標
どし、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
ランシュの運動方程式が下記のように表わされる。

Ｍｘ”　＋ｃｘ”　十Ｋｘ＊ ＝　□　Ｋ　ＩｌＣＯＳ　　Ｗ　ｔ　＋ｍ　ｒ２　　　
　　　　　　　　　　　　　　　［１）（ｊ２ｃｏｓφ
十φｓｉｎφ） Ｔ −ｍｒｘ”　ｓ　ｉ　ｎφ＋ｍｒｇｓ　ｉ　ｎφ−Ｔｒ
但しＴ、は偏心回転体の出力転に伝えられるトルクで Ｔ　　＝Ｔ　　＋Ｔ　　＋Ｃ＊φであるＧｂｂ ここにＴ６二偏心回転体に接続された発電機の負荷トル
ク ■ｂ：機械的制動トルク Ｃ＊　二回転体系の機械１０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ｑ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十〇とし、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／Ｗ　　但しＷ、は浮体
固右円振動数（−Ｆ［ワ）である。図において、 Ａｏ：浮体の振巾／Ｈ θ０：偏心回転体の位相 ξ０：浮体の位相 ０１　：偏心回転体の位相差（−〇。−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ｈＩ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？ｌ
装ｄ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る振動板
でばね定数にのばねＫを介して支えられている。浮体Ｍ
の質１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　、・：θ１゜Δ：θ０．
ム：Ａｏである。

上記ＲＩ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ＣＧは臨界減衰系数を示す。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
。８１算にに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Ｗ％）、回転軸出力Ｐ。ｏｔ、回転軸トルク
Ｔ、（ｍａＸ）について泪韓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
　　７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Ｊる波浪
円振勅数を設計円振動数Ｗ、としてＷｄ／Ｗｏが０．６
乃至１．１の範囲になるように浮体の固右円振動数Ｗ、
を定めることが望ましいことが分る。また一定期間中波
湯玉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Ｗ、としてＷｄ／Ｗ
ｏｌｆｉ０．６乃至１．１の範囲になるように浮体の固
有円振動数Ｗ。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詳細な説明
する。

第６図および第７図に示す第１の実施例において、）角
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
ルとしての機能を右Ｊ−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の基準位首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にも一
定となる。浮体の質量をＭとして浮体の固有円動数Ｗ　
はＷ　−Ｆ［Σ聞でｎ 求められる。波浪の設計円振動数Ｗ、とＷ。どの比Ｗｄ
　／Ｗｏ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は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疫
ぽ遠くなり、波浪の円振動数Ｗと固有円振動数Ｗ。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
は十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
ぎくなっているので浮体の振ｌ］が大きくなると固有円
振動数Ｗ。は人きくなる。波浪の円振動数Ｗが大きい場
合は浮体と波浪とがＪＬ振状態となり浮体の振巾が人き
くなり従ってＷ　が大ぎくなる。その場合Ｗ／Ｗｏは１
．１以下の状態が保たれ装置が稼動可能となる。

第９図に示ず第３の実施例では喫水線の上りおよび下方
で水平断面積が小ざくなっているので浮体の振巾が大き
いど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Ｗ　が
小さくなりＷ／Ｗ。

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イｊＪ−るようになる。第
１０図に示寸第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Ｗ。を変える
ことができる。バラストタ゛　ンク内に水が注入されて
いる場合は浮体型ｆｆ１Ｍが増大し、また喫水線が［胃
するので等価ばね定数Ｋが減少するのでＷ。−５は小さ
くなる。

バラス１〜タンクから水を排水するどきは逆にＷ。

は大きくなる。このようにして発生りる波浪の周期に合
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
換が可能どなる。

〔発明の効果） 本発明による波浪エネルギー変換装置（，１、可動部分
が浮体内部に収納されているのｃＷＪ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４１１
用し浮体の振動と波浪の上下動が共振に近い状態Ｉ３保
たれるので波浪がら浮体へのエネルーＡ−伝ｊヱ吊が大
きくなり、装置を波浪の広い周期範囲にわたり全体とし
て高い工オルギ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Ｊ−図面、
第２図は同実験装首を示す図面、第３図［Ｉ５Ｊ、ぴ第
４図は一１配力学モデルおよび実験装閥にＪ、るｈ１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
ルギー分相おＪ：び出現頻庶をホすグラフ、第６図は本
発明の第１の実施例におりる横断面図、第７図は同縦断
面図、第８図乃至第１０図【３１本発明の第２乃至第４
の実施例を示す断面図Ｃ′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。 出願人代理人　　１＃　　本　　傅　　光＝　１５− Ｘｏ　＝、ｃｏｓωを 第　ｌ　図 周期別５反力８布 第　９　図 第　６　図 第７図 第　１３　　図 羊　ｌθ　図 第９　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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（Ｔ＿ｄ）より計算される波浪の設計円振動数
   （Ｗ＿ｄ＝２π／Ｔ＿ｄ）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（Ｗ＿ｄ／Ｗ
   ＿ｎ）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、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、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、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、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。