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技術 波力発電システムの液圧ポンプ装置、及びそれを備える波力発電システム

出願人 国立大学法人東京大学川崎重工業株式会社
発明者 丸山康樹林昌奎小林豪毅栗林直樹
出願日 2018年2月7日 (2年4ヶ月経過) 出願番号 2018-020012
公開日 2019年8月22日 (10ヶ月経過) 公開番号 2019-138172
状態 未査定
技術分野 波力利用等のその他の液体機械又は機関
主要キーワード 直交方向一方 アキュムレータ装置 両端側部分 吸入容量 マウントベース 半径方向両側 荷重中心 フレキシブルジョイント
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

シャフトに作用する荷重を低減することができる波力発電システム液圧ポンプ装置を提供する。

解決手段

波力発電システムの液圧ポンプ装置は、少なくとも1つの波受部材の揺動連動して回動するシャフトと、直線往復運動可能なロッドを有し、該ロッドが直線往復運動することによって作動液吸引して吐出する一対のシリンダ機構と、シャフトの回動運動を直線往復運動に変換してロッドを動かす連結部材と、を備え、一対のシリンダ機構は、各々の間にシャフトが位置するようにシャフトの半径方向両側に夫々離し且つ並べて配置され、連結部材は、シャフトを中心に回動し、シャフトを間に挟んで反対側に位置する各々の部分において一対のシリンダ機構の各々のロッドと連結されている。

概要

背景

風力エネルギー太陽光エネルギー等の様々な自然エネルギーを利用する自然エネルギー発電ステムが実用に供されており、この自然エネルギー発電システムの1つとして波力発電システムが知られている。波力発電システムは、波の力、即ち波のエネルギーを一度機械エネルギーに変換し、更に機械エネルギーから電気エネルギーへと変換するようになっている。このような機能を有する波力発電システムとしては、例えば特許文献1に記載される波力発電システムがある。

特許文献1の波力発電システムでは、一対の軸受部材によって回動可能に支持されているシャフト波受部材が相対回動不能に取り付けられており、波受部材が揺動するとシャフトが回動するようになっている。また、シャフトには、カム部材を介してポンプ装置に連結されている。ポンプ装置は、ラムシリンダ式のポンプであり、ロッド往復運動することによって作動液吸引しまた吐出する。また、ロッドにはピンが一体的に形成されており、そのピンにカム部材を係合させることによってロッドとシャフトと連結されている。カム部材は、シャフトの回転運動直線往復運動に変換してロッドに伝達するようになっている。従って、波部材波力を受けて揺動すると、その揺動運動がシャフト及びカム部材を介して直線往復運動に変換されてロッドに伝達され、それもってポンプ装置から作動液が吐出される。

概要

シャフトに作用する荷重を低減することができる波力発電システムの液圧ポンプ装置を提供する。 波力発電システムの液圧ポンプ装置は、少なくとも1つの波受部材の揺動に連動して回動するシャフトと、直線往復運動可能なロッドを有し、該ロッドが直線往復運動することによって作動液を吸引して吐出する一対のシリンダ機構と、シャフトの回動運動を直線往復運動に変換してロッドを動かす連結部材と、を備え、一対のシリンダ機構は、各々の間にシャフトが位置するようにシャフトの半径方向両側に夫々離し且つ並べて配置され、連結部材は、シャフトを中心に回動し、シャフトを間に挟んで反対側に位置する各々の部分において一対のシリンダ機構の各々のロッドと連結されている。

目的

本発明は、シャフトに作用する荷重を低減することができる波力発電システムの液圧ポンプ装置、及びそれを備える波力発電システムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

少なくとも1つの波受部材が波の力を受けて揺動することによって発電する波力発電システム液圧ポンプ装置であって、前記少なくとも1つの波受部材の揺動に連動して回動するシャフトと、直線往復運動可能なロッドを有し、該ロッドが直線往復運動することによって作動液吸引して吐出する一対のシリンダ機構と、前記シャフトの回動運動を直線往復運動に変換して前記ロッドを動かす連結部材と、を備え、前記一対のシリンダ機構は、各々の間に前記シャフトが位置するように前記シャフトの半径方向両側に夫々離し且つ並べて配置され、前記連結部材は、前記シャフトを中心に回動し、前記シャフトを間に挟んで反対側に位置する各々の部分において前記一対のシリンダ機構の各々の前記ロッドと連結されている、波力発電システムの液圧ポンプ装置。

請求項2

前記一対のシリンダ機構の各々は、互いに平行且つ前記シャフトの軸方向に直交する直交方向に並べて配置され、前記連結部材は、前記シャフトから直交方向一方側及び他方側に延在し、その延在する両側部分にて前記ロッドの各々と連結されている、請求項1に記載の波力発電システムの液圧ポンプ装置。

請求項3

前記連結部材は、前記シャフトから半径方向に等距離離れた位置にて前記ロッドの各々と連結されている、請求項2に記載の波力発電システムの液圧ポンプ装置。

請求項4

前記シャフトは、その軸線が水平方向に延在するように配置され、前記一対のシリンダ機構は、互いに鉛直方向に離して配置されている、請求項1乃至3の何れか1つに記載の波力発電システムの液圧ポンプ装置。

請求項5

前記シャフトは、前記一対のシリンダ機構から水平方向両側に延在し且つ複数の前記波受部材が設けられており、前記波受部材は、前記一対のシリンダ機構の水平方向両側に夫々位置するように前記シャフトに取り付けられている、請求項1乃至4の何れか1つに記載の波力発電システムの液圧ポンプ装置。

請求項6

請求項1乃至5の何れか1つに記載の前記液圧ポンプ装置と、前記液圧ポンプ装置から吐出される作動液を蓄圧して排出して、脈動する作動液の流れを平均化するアキュムレータ装置と、前記液圧ポンプ装置から吐出される作動液が供給され、供給された作動液を吸入して吸入流量に応じた回転速度で出力軸を駆動する液圧モータと、前記液圧モータの出力に応じた電力を発生する発電機と、を備える、波力発電システム。

技術分野

0001

本発明は、波の力を利用して発電する波力発電システム液圧ポンプ装置、及びそれを備える波力発電システムに関する。

背景技術

0002

風力エネルギー太陽光エネルギー等の様々な自然エネルギーを利用する自然エネルギー発電システムが実用に供されており、この自然エネルギー発電システムの1つとして波力発電システムが知られている。波力発電システムは、波の力、即ち波のエネルギーを一度機械エネルギーに変換し、更に機械エネルギーから電気エネルギーへと変換するようになっている。このような機能を有する波力発電システムとしては、例えば特許文献1に記載される波力発電システムがある。

0003

特許文献1の波力発電システムでは、一対の軸受部材によって回動可能に支持されているシャフト波受部材が相対回動不能に取り付けられており、波受部材が揺動するとシャフトが回動するようになっている。また、シャフトには、カム部材を介してポンプ装置に連結されている。ポンプ装置は、ラムシリンダ式のポンプであり、ロッド往復運動することによって作動液吸引しまた吐出する。また、ロッドにはピンが一体的に形成されており、そのピンにカム部材を係合させることによってロッドとシャフトと連結されている。カム部材は、シャフトの回転運動直線往復運動に変換してロッドに伝達するようになっている。従って、波部材波力を受けて揺動すると、その揺動運動がシャフト及びカム部材を介して直線往復運動に変換されてロッドに伝達され、それもってポンプ装置から作動液が吐出される。

先行技術

0004

特開2015−108344号公報

発明が解決しようとする課題

0005

特許文献1の波力発電システムでは、前述の通りシャフトとロッドとがカム部材によって連結されている。更に詳細に説明すると、カム部材は、大略直方体形状になっており、その下端部にシャフトが回動不能に挿通し且つその上端部にロッドが取り付けられている。そのため、ロッドを動かす際、カム部材はロッドからの反力が作用しており、その反力がカム部材を介してシャフトに伝わる。即ち、ロッドを動かす際、シャフトにはロッドの運動方向に平行な荷重水平荷重が作用する。この水平荷重FHは、波受部材が受ける波力をF1、シャフト中心から波受部材の荷重中心までの距離をR1、及びピンからシャフト中心までの距離をR2とすると大よそ以下のようになる。即ち、水平荷重FHは、FH=((R1+R2)/R2)×F1である。つまり、波受部材が受ける荷重は、そこからシャフトに伝わるまでの間にR1+R2とR2とのレバー比増幅される。

0006

波力発電システムでは、ロッドへの作用力を高めて吐出される液圧高圧化を行うことによってポンプの容積を減らし、またポンプ装置の小型化を図ることが望まれており、それらを実現すべく距離R1及びR2をR1>>R2とする。これにより、波受部材で受けた波力がそこからロッドに伝わるまでの間に大きく増幅される。他方、増幅されることによりシャフトへの水平荷重FHもまた増加し、それに対処すべくシャフトの剛性を高める必要がある。剛性を高める一例として、シャフトの外径寸法を大きくすることが考えられるが、外径寸法を大きくすればするほど重量が大きくなり、運搬や設置等が困難となり、またコストの増大を招く。それ故、1つの波力発電システムにて発電できる発電力が制限され、それ以上の発電量望むことが難しい。

0007

そこで本発明は、シャフトに作用する荷重を低減することができる波力発電システムの液圧ポンプ装置、及びそれを備える波力発電システムを提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0008

本発明の波力発電システムの液圧ポンプ装置は、少なくとも1つの波受部材が波の力を受けて揺動することによって発電する波力発電システムの液圧ポンプ装置であって、前記少なくとも1つの波受部材の揺動に連動して回動するシャフトと、直線往復運動可能なロッドを有し、該ロッドが直線往復運動することによって作動液を吸引して吐出する一対のシリンダ機構と、前記シャフトの回動運動を直線往復運動に変換して前記ロッドを動かす連結部材と、を備え、前記一対のシリンダ機構は、各々の間に前記シャフトが位置するように前記シャフトの半径方向両側に夫々離し且つ並べて配置され、前記連結部材は、前記シャフトを中心に回動し、前記シャフトを間に挟んで反対側に位置する各々の部分において前記一対のシリンダ機構の各々の前記ロッドと連結されているものである。

0009

本発明に従えば、連結部材において一対のシリンダ機構のロッドが互いにシャフトを挟んで反対側の部分に設けられているので、連結部材を回動させると一対のロッドは各々が互いに反対方向に動くことになる。それ故、各ロッドから連結部材が受ける反力が互いに打ち消し合うようにシャフトに作用するので、シャフトに伝わる荷重を従来のものより低減することができる。

0010

上記発明において、前記一対のシリンダ機構の各々は、互いに平行且つ前記シャフトの軸方向に直交する直交方向に並べて配置され、前記連結部材は、前記シャフトから直交方向一方側及び他方側に延在し、その延在する両側部分にて前記ロッドの各々と連結されていてもよい。

0011

上記構成に従えば、各ロッドから連結部材が受ける反力が互いに打ち消し合う偶力として連結部材に作用するので、連結部材を介してシャフトに伝わる荷重を更に低減することができる。

0012

上記発明において、前記連結部材は、前記シャフトから半径方向に等距離離れた位置にて前記ロッドの各々と連結されていてもよい。

0013

上記構成に従えば、各ロッドがシャフトから等距離離して配置されているので、連結部材の回動角に対する各ロッドのストローク量を同じにすることができる。これにより、一回の往復運動における吐出量を同じにすべく一対のシリンダ機構において同サイズのシリンダ機構を採用することができ、波力発電システムの製造コストを抑えることができる。

0014

上記発明において、前記シャフトは、その軸線が水平方向に延在するように配置され、前記一対のシリンダ機構は、互いに鉛直方向に離して配置されていてもよい。

0015

上記構成に従えば、シリンダ機構を上下方向に離して配置しているので、液圧ポンプ装置の設置面積を低減することができる。

0016

上記発明において、前記シャフトは、前記一対のシリンダ機構から水平方向両側に延在し且つ複数の前記波受部材が設けられており、前記波受部材は、前記一対のシリンダ機構の水平方向両側に夫々位置するように前記シャフトに取り付けられていてもよい。

0017

上記構成に従えば、シャフトの両端部を波に合わせて回動させることができるので、シャフトが捩れることを抑制することができる。

0018

本発明の波力発電システムは、前述する何れかの液圧ポンプ装置と、前記液圧ポンプ装置から吐出される作動液を蓄圧して排出して、脈動する作動液の流れを平均化するアキュムレータ装置と、前記液圧ポンプ装置から吐出される作動液が供給され、供給された作動液を吸入して吸入流量に応じた回転速度で出力軸を駆動する液圧モータと、前記液圧モータの出力に応じた電力を発生する発電機と、を備えるものである。

0019

上記構成に従えば、前述するような機能を有する波力発電システムを実現することができる。

発明の効果

0020

本発明によれば、シャフトに作用する荷重を低減することができる。

図面の簡単な説明

0021

第1実施形態の波力発電システムを示す斜視図である。
図1の波力発電システムに備わる液圧ポンプ装置の概略を示す正面図である。
図2の液圧ポンプ装置を側方から見た側面図である。
図3の液圧ポンプ装置において、波受部材が前後に揺動した状態を夫々示す図であり、(a)は波受部材が後側に揺動した状態を示し、(b)は波受部材が前側に揺動した状態を示している。
図1の波力発電システムの構成を示す液圧回路図である。
第2実施形態の波力発電システムに備わる液圧ポンプ装置を示す正面図ある。

実施例

0022

以下、本発明に係る第1及び第2実施形態の波力発電システム1,1Aについて図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いる方向の概念は、説明する上で便宜上使用するものであって、発明の構成の向き等をその方向に限定するものではない。また、以下に説明する波力発電システム1,1Aは、本発明の一実施形態に過ぎない。従って、本発明は実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、変更が可能である。

0023

[第1実施形態]
<波力発電システム>
図1に示す波力発電システム1は、海岸に打ち寄せる波の力、即ち波のエネルギーを電気エネルギーに変換することによって発電する発電システムであり、海岸に設けられている防波堤2の前方(即ち、沖側)に設置されている。具体的に説明すると、防波堤2付近海底には、コンクリートシンカーが設置されており、このコンクリートシンカーには、複数(例えば、6本)の支柱杭3が立設されている。複数の支柱杭3の上には、平面視で大略矩形状の床板4が載せられて固定されており、床板4には、防水キャビン5が設けられている。防水キャビン5には、波力発電システム1の構成の一部分(例えば、後述する液圧ポンプ装置20等)が収容されている。このように配置される波力発電システム1は、鋼製海洋ジャケット構造物として構成されており、波のエネルギーを電気エネルギーに変換すべく図2及び図3に示すような振子式の一対の波受機構10L,10Rを備えている。

0024

<波受機構>
一対の波受機構10L,10Rは、海岸に打ち寄せる波に対して、例えば大略直交する方向(紙面において左右方向)に離すようにして床板4に設けられている。このように配置される一対の波受機構10L、10Rの各々は、同じ構成を有しており、以下では一方の波受機構10Rの構成について説明し、他方の波受機構10Lの構成については同一の符号を付してその説明を省略する。一方の波受機構10Rは、海岸に打ち寄せる波の力を受けて揺動すべく、一対の支持台11,11と、ラダーシャフト12と、波受部材13とを有している。一対の支持台11,11は、左右方向に離して床板4に設けられており、それらにはラダーシャフト12が挿通されている。ラダーシャフト12は、長尺の大略円柱部材であり、左右方向に延在している。また、ラダーシャフト12の一端部分及び他端側部分の各々は、一対の支持台11,11の各々によって回動可能に支持され、その中間部分には波受部材13が取り付けられている。

0025

波受部材13は、海岸に打ち寄せる波を受けてラダーシャフト12を回動させるための部材であり、一対のアーム13a,13aと、波受板13bとを有している。一対のアーム13a,13aは、上下方向に延在する長尺の部材であり、その上端部が相対回転不能にラダーシャフト12に取り付けられている。また、一対のアーム13a,13aは、互いに左右方向に離してラダーシャフト12に取り付けられており、ラダーシャフト12から下方に垂下されている。また、床板4には、ラダーシャフト12の下方であって一対の支持第11,11の間に開口4aが形成されており、一対のアーム13a,13aは、開口4aを通って海面6に向かって垂下している。このよう配置されている一対のアーム13a,13aの下端部分は、海面6付近まで達しており、そこには波受板13bが設けられている。

0026

波受板13bは、後方(即ち、防波堤2側)から見て大略矩形状の板であり、その上側部分を除く大半の部分が海面6より下に位置している、即ち海中に沈んでいる。また、波受板13bは、その前面及び背面が防波堤2に略平行になるように配置され、沖側から伝わる波(入射波)の力を前面で受け、背面で防波堤2及びその付近で反射された波(反射波)の力を受けるようになっている。このようにして波受板13bにて波の力を受けた波受部材13は、ラダーシャフト12を中心に揺動し(即ち、図4(a)及び(b)に示すように前後方向に揺動し)、それに伴ってラダーシャフト12がその軸線回りに回動する。なお、波受板13bの下端からラダーシャフト12の軸線までの距離はr1となっている。

0027

このように一対の波受機構10L,10Rは、波の力を受けてラダーシャフト12を回動させることができる。また一対の波受機構10L,10Rは、各々のラダーシャフト12の軸線が略一致し且つ左右方向に離して床板4に配置されている。更に床板4には、一対の波受機構10L,10Rの間にマウントベース7が形成されており、マウントベース7には、液圧ポンプ装置20が設けられている。

0028

[液圧ポンプ装置]
液圧ポンプ装置20は、ラムシリンダ式のポンプであり、前述する一対のラダーシャフト12の各々に接続されている。液圧ポンプ装置20は、一対のラダーシャフト12が回動すると、それに応じて作動液(油又は水等)を吸引して吐出する。このような機能を有する液圧ポンプ装置20は、ポンプシャフト21と、一対のシリンダ機構22U,22Dと、チラー23とを有している。ポンプシャフト21は、大略円柱状の部材であり、その軸線が一対のラダーシャフト12の軸線と略一致するように左右方向に延在している。また、ポンプシャフト21の両端部には、フレキシブルジョイント14が夫々設けられており、ポンプシャフト21の各端部は、フレキシブルジョイント14を介して別々のラダーシャフト12に連結されている。フレキシブルジョイント14は、ポンプシャフト21に対するラダーシャフト12の前後左右方向の軸ずれ及びラダーシャフト12の撓みを許容しつつ、ラダーシャフト12の回動力をポンプシャフト21に伝達する。これにより、ラダーシャフト12の回動力をポンプシャフト21に確実に伝え、ポンプシャフト21を回動させることができる。

0029

このように回動するポンプシャフト21は、マウントベース7を貫通しており、その両端側部分がマウントベース7に回動可能に支持されている。また、マウントベース7は、平面視で大略O字状に形成されており、その中央部分に収容空間7aが形成されている。ポンプシャフト21は、収容空間7aを貫通するように左右方向に延在している。また、マウントベース7の上面及び下面には、収容空間7aに前後方向に架け渡すように一対のシリンダ機構22U,22Dの各々が設けられている。なお、一対のシリンダ機構22U,22Dは、同様の構成を有しており、一方のシリンダ機構である上側シリンダ機構22Uの構成を主に説明し、下側シリンダ機構22Dの構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

0030

上側シリンダ機構22Uは、いわゆるラムシリンダ機構であり、ロッド25と、一対のシリンダ26a,26bを有している。なお、上側シリンダ機構22Uは、必ずしもラムシリンダ機構である必要はなく、その他のシリンダ機構であってもよい。ロッド25は、大略円柱状に形成されており、その両端部にシリンダ26a,26bが設けられている。一対のシリンダ26a,26bは、大略有底筒状に形成されており、その中に液室が形成されている。ロッド25の両端部の各々は、各シリンダ26a,26bの開口からシールを達成した状態で、且つその中で軸線に沿って往復運動(即ち、直線往復運動)可能に挿入されている。また、一対のシリンダ26a,26bの各々には、その底部に給排ポート27a,27bが形成されており(後述する図5参照)、給排ポート27a,27bを介して液室に作動液が吸入され、また給排ポート27a,27bを介して液室の作動液が排出される。

0031

このように構成されている上側シリンダ機構22Uでは、ロッド25が軸線方向一方、例えば前方に移動すると、シリンダ26aから作動液が排出(吐出)され、またシリンダ26bの中に作動液が吸引される。他方、ロッド25が軸線方向他方、例えば後方に移動すると、シリンダ26aの中に作動液が吸引され、またシリンダ26bから作動液が排出(吐出)される。それ故、ロッド25を往復運動させることで、上側シリンダ機構22Uにおいて作動液の給排出が繰り返して行われる即ち、上側シリンダ機構22Uから作動液を吐出することができる。

0032

このような機能を有する一対のシリンダ機構22U,22Dは、マウントベース7の上面において、以下のように配置される。即ち、上側シリンダ機構22Uでは、一対のシリンダ26a,26bがマウントベース7の上面において収容空間7aを挟んで前後に離して配置されており、それらに挿通されているロッド25が収容空間7aに架け渡されている。同様に、下側シリンダ機構22Dもまた、一対のシリンダ26b,26aがマウントベース7の下面において収容空間7aを挟んで前後に離して配置されており、それらに挿通されているロッド25が収容空間7aに架け渡されている。このように配置されている下側シリンダ機構22Dは、上側シリンダ機構22Uに対して一対のシリンダ26a,26bが前後逆に配置されている、即ち下側シリンダ機構22Dが上側シリンダ機構22Uに対して左右対象に配置されている。また、一対のシリンダ機構22U,22Dは、各々のロッド25が互いに平行になり、且つ一対のシリンダ機構22U,22Dとポンプシャフト21との上下方向の距離r2が互いに等しくなるようにマウントベース7の上下の各面に配置されている。このように配置されているシリンダ機構22U,22Dには、チラー23が設けられており、チラー23を介してロッド25,25とポンプシャフト21とが連結されている。

0033

連結部材であるチラー23は、ポンプシャフト21の回動運動をロッド25の直線往復運動に変換して一対のシリンダ機構22U,22Dを動かす。更に詳細に説明すると、チラー23は、上下方向に延在する部材であり、その上下方向中央部分にポンプシャフト21が相対回動不能に挿通されている。また、チラー23の上端部及び下端部は、左右方向に二股に分かれており、二股に分かれた各部分23a,23aの間に一対のシリンダ機構22U,22Dのロッド25が通されている。また、各ロッド25の外表面には、一対のピン部材28,28が設けられている。一対のピン部材28,28は、各ロッド25の外表面から半径方向外側、より詳しくは左方向及び右方向に夫々突出している。また、チラー23の二股に分かれた部分23a,23aの各々には、上方(又は下方)に夫々開口する溝23b,23bが形成されている。各溝23b,23bは、一対のピン部材28,28に対応させて形成されており、一対のピン部材28,28は、対応する溝23b、23bに挿通されて係合されている。また、一対のピン部材28,28は、溝23b、23bに沿って移動できるようになっている。なお、各ロッド25に設けられている一対のピン部材28,28とチラー23の回動軸(即ち、ポンプシャフト21の回動軸)との距離は、r2となっている。

0034

このように構成されているチラー23は、ポンプシャフト21が回動すると、その回動に合わせてポンプシャフト21の軸線回りに回動する。これにより、チラー23の上端部において溝23b,23bに係合する一対のピン部材28,28がチラー23の回動方向に応じて前後方向一方に押され、またチラー23の上端部において溝23b,23bに係合する一対のピン部材28,28が前後方向他方に押される。これにより、液圧ポンプ装置20では、一対のシリンダ機構22U,22Dのロッド25の各々が一対のピン部材28,28を介して互いに反対方向に押される。一対のシリンダ機構22U,22Dでは、各々の給排ポート27a,27aがロッド25を介して反対側に配置されている。それ故、一対のシリンダ機構22U,22Dの各々は、ロッド25の各々が一対のピン部材28,28を介して互いに反対方向に押されると他方の給排ポート27b,27bから作動液を吸引して一方の給排ポート27a,27aから吐出し、又は一方の給排ポート27a,27aから作動液を吸引して一方の給排ポート27b,27bから吐出する。このように作動液を給排する給排ポート27a,27a,27b,27bは、図5に示すようにポンプ通路31,32に繋がっている。

0035

ポンプ通路31,32のうちの一方である第1ポンプ通路31には、一対のシリンダ機構22U,22Dの一方の給排ポート27a,27aが繋がり、他方である第2ポンプ通路32には、一対のシリンダ機構22U,22Dの他方の給排ポート27b,27bが繋がっている。また、2つのポンプ通路31,32は、互いに下流側及び上流側で夫々合流しており、上流側では合流した先で主止弁35を介してタンク33に繋がり、下流側では合流した先で後述する液圧駆動回路40の主通路41に繋がっている。また、2つのポンプ通路31,32には、2つの逆止弁36,37が夫々設けられ、以下のように配置されている。即ち、第1ポンプ通路31において、2つの逆止弁36,37は、第1ポンプ通路31と2つの給排ポート27a,27aとの接続点に対して、2つの接続点を挟むようにそれらの上流側及び下流側に夫々設けられており、第2ポンプ通路32においても2つの給排ポート27b,27bに対して同様に配置されている。第1逆止弁36は、タンク33から2つの給排ポート27a、27a(又は2つの給排ポート27b,27b)への作動液の流れを許容してその逆方向の流れを阻止する。また、第2逆止弁37は、2つの給排ポート27a、27a(又は2つの給排ポート27b,27b)から主通路41への流れを許容してその逆方向の流れを阻止するようになっている。

0036

このように構成されている液圧ポンプ装置20では、図4(a)に示すようにポンプシャフト21が時計回りに回動すると、それに合わせてチラー23も時計回りに回動する。そうすると、上側シリンダ機構22Uのロッド25が前方に移動し、また下側シリンダ機構22Dでのロッド25が後方に移動する。これにより、一対のシリンダ機構22U,22Dから給排ポート27a,27aを介して第1ポンプ通路31に作動液が排出(吐出)される。そうすると、第1ポンプ通路31の第2逆止弁37が開いて2つのポート27a,27aと主通路41とが繋がり、吐出された作動液が主通路41に導かれる。また、同時に、一対のシリンダ機構22U,22Dは給排ポート27b,27bを介して第2ポンプ通路32から作動液を吸引する。そうすると、第2ポンプ通路32では、第1逆止弁36が開かれて2つのポート27b,27bとタンク33とが繋がる。これにより、タンク33から給排ポート27b,27bを介して一対のシリンダ機構22U,22Dに作動液が吸入される。

0037

他方、図4(b)に示すようにポンプシャフト21が反時計回りに回動すると、それに合わせてチラー23も反時計回りに回動する。そうすると、上側シリンダ機構22Uのロッド25が後方に移動し、また下側シリンダ機構22Dでのロッド25が前方に移動する。これにより、一対のシリンダ機構22U,22Dから給排ポート27b,27bを介して第2ポンプ通路32に作動液が排出(吐出)される。そうすると、第2ポンプ通路32の第2逆止弁37が開いて給排ポート27b,27bから主通路41に作動液が導かれる。また、同時に、一対のシリンダ機構22U,22Dは給排ポート27a,27aを介して第1ポンプ通路31から作動液を吸引する。そうすると、第1ポンプ通路31では、第1逆止弁36が開かれて2つのポート27a,27aとタンク33とが繋がる。これにより、タンク33から2つのポート27a,27aを介して一対のシリンダ機構22U,22Dに作動液が吸入される。このように液圧ポンプ装置20は、ロッド25を往復運動させることでタンク33から作動液を吸入し、液圧駆動回路40の主通路41に作動液を吐出する。液圧駆動回路40では、液圧ポンプ装置20から吐出される作動液を後述する液圧モータ60に供給するようになっており、以下のように構成されている。

0038

[液圧駆動回路]
液圧駆動回路40は、前述する主通路41を備えており、主通路41には、アキュムレータ43が接続されている。アキュムレータ43は、蓄圧可能に構成されている。また、主通路41には、アキュムレータ43の下流側においてリリーフ通路47と繋がっており、リリーフ通路47は、タンク通路48を介してタンク33に繋がっている。また、リリーフ通路47にはリリーフ弁49が介在しており、リリーフ弁49は、主通路41を流れる作動液が所定圧力以上になるとリリーフ通路47を開くようになっている。即ち、主通路41の圧力が過剰に高くなって所定圧力になると、リリーフ弁49がリリーフ通路47を開き、主通路41に流れる作動液をタンク33に逃がす。また、タンク通路48には、オイルクーラー50が介在しており、タンク通路48を流れる作動液を冷却するようになっている。

0039

更に、主通路41には、フィルタ51、逆止弁52及び流量調整弁53が介在している。フィルタ51、逆止弁52、及び流量調整弁53は、リリーフ通路47より下流側に配置され、上流側(即ち、液圧ポンプ装置20側)からこの順序で並んでいる。逆止弁52は、上流側から下流側への作動液の流れを許容し、その逆方向の流れを阻止するようになっている。また、流量調整弁53は、いわゆる可変流量の絞りであり、主通路41を流れる作動液の流量を調整するようになっている。そして、主通路41において流量調整弁53の下流側には、液圧モータ60が設けられている。

0040

液圧モータ60は、例えば斜板モータであり、主通路41を介して供給される作動液によってその出力軸61を回転させる。更に詳細に説明すると、液圧モータ60は、供給される作動液の流量及びその吸入容量に応じた回転速度で出力軸61を回転させる。また、液圧モータ60は、いわゆる可変容量型の斜板モータであり、そこに備わる斜板60aの傾転角を変えることによって吸入容量を切替えることができる。それ故、液圧モータ60は、斜板60aの傾転角を変えることによって出力軸61の回転速度を調整することができる。このように構成される液圧モータ60には、その斜板60aの傾転角を変えるべくサーボ機構62が設けられている。サーボ機構62は、入力されるサーボ指令に応じて直動機構(例えば、ロッド及びボールねじ)を動かして斜板61aの傾転角を調整するようになっている。即ち、サーボ機構62は、入力されるサーボ指令に応じて液圧モータ60の吸入容量を変更することができる。このように直動機構を動かすことによって斜板60aの傾転角を変えて液圧モータ60の吸入容量を変更することができ、そうすることで更に出力軸61の回転速度を調整することができる。なお、サーボ機構62は、上述する構成に限定されず、種々の構成を用いることができる。また、出力軸61には、発電機65が取り付けられている。

0041

[発電機]
発電機65は、いわゆる同期発電機であり、例えば永久磁石発電機によって構成されている。発電機65は、出力軸61の回転速度及びトルク、即ち液圧モータ60の出力に応じた周波数交流電力(以下、単に「電力」ともいう)を発生するようになっている。それ故、出力軸61が定格回転数(例えば、1500rpm又は1800rpm)以下で回転したり、また出力軸61の回転速度が安定していなかったりしても発電機65は発電することができ、発電量を向上させることができる。なお、本実施形態では、発電機65に同期発電機を採用しているが発電機65として誘導発電機を用いてもよい。このように構成されている発電機65は、パワーコンディショナ66に接続されており、発電機65で発生した電力は、パワーコンディショナ66に伝送されるようになっている。

0042

[パワーコンディショナ]
周波数変換機であるパワーコンディショナ66は、電力系統(図示せず)に接続されており、電力の電圧及び周波数を商用電源から供給される電力と略同じ電圧、周波数、及び位相に調整して電力系統に伝送するようになっている。即ち、パワーコンディショナ66は、発電機65で発生した電力の電圧、周波数、及び位相を電力系統に接続する際に要求される値に調整し、電力系統に伝送するようになっている。また、発電機65には、回転数センサ68が設けられており、回転数センサ68は、出力軸61の回転速度、即ち回転数を検出するように構成されている。回転数センサ68は、制御装置70に接続されており、検出結果を制御装置70に出力するようになっている。

0043

[制御装置]
制御装置70は、回転数センサ68の他に、サーボ機構62及びパワーコンディショナ66に電気的に接続されている。即ち、制御装置70は、回転数センサ68の検出結果に基づいてサーボ機構62にサーボ指令を出力し、サーボ機構62の動作を制御するようになっている。また、制御装置70は、パワーコンディショナ66に駆動指令を出力し、パワーコンディショナ66の動作を制御するようになっている。以下では、制御装置70の制御動作を含め、波力発電システム1の動作について詳細に説明する。

0044

[波力発電システムの動作]
波力発電システム1では、波受部材13が波の力を受けて揺動すると、ポンプシャフト21が回動し、前述の通り液圧ポンプ装置20から主通路41に作動液が吐出される。液圧ポンプ装置20から吐出される作動液は、液圧ポンプ装置20がラムシリンダ式のポンプである故にその流れ(流量及び液圧)が脈動している。それ故、アキュムレータ43は、主通路41を流れる作動液の圧力に応じて作動液を蓄えたり(即ち、蓄圧したり)、また蓄えた作動液を排出したりし、主通路41にて脈動する作動液の流れを平均化する。即ち、主通路41を流れる作動液の流量及び圧力を略一定にすることができる。このようにして流量及び圧力が略一定化された作動液は、フィルタ51及び逆止弁52を通り、更に流量調整弁53で流量が絞られて液圧モータ60に導かれる。これにより、液圧モータ60の出力軸61が回転する。その際、回転数センサ68によって出力軸61の回転速度が検出され、その検出結果が回転数センサ68から制御装置70に出力される。

0045

制御装置70は、回転数センサ68の検出結果に基づいて、サーボ機構62の動作を制御する。即ち、制御装置70は、回転数センサ68の検出結果に基づいて斜板61aの傾転角を調整し、出力軸61の回転数を所定の範囲内(例えば、定格回転数及びその付近の値)に維持する。これにより、発電機65を一定速度で回転させることができ、発電機65で発生する電力の周波数を一定の値に調整することができる。即ち、安定した周波数の電力を発電機65から出力することができる。このようにして出力された電力は、発電機65からパワーコンディショナ66に伝送される。そして、制御装置70は、パワーコンディショナ66の動作を制御し、主に電力系統に送電する電力の電圧、周波数、及び位相を電力系統に接続される際に要求される値(又は範囲)に調整する。これにより、パワーコンディショナ66から電力系統に電力を伝送することができる。

0046

このように構成されている波力発電システム1では、前述の通り液圧ポンプ装置20が以下のように構成されている。即ち、液圧ポンプ装置20では、一対のシリンダ機構22U,22Dが水平方向に延びるポンプシャフト21を挟むようにして上下(直交方向)に離れ、またロッド25が互いに平行になるように配置されている。更に、チラー23がポンプシャフト21を中心に回動し、その両端部に一対のピン部材28,28を介して各シリンダ機構22U,22Dのロッド25が係合されている。このように構成されている液圧ポンプ装置20では、チラー23の両端部に一対のピン部材28,28を介して各シリンダ機構22U,22Dから受ける反力が作用し、それに応じた水平荷重FH1がチラー23を介してポンプシャフト21に作用する。他方、液圧ポンプ装置20では、チラー23が各シリンダ機構22U,22Dのロッド25を互いに反対方向に動かすので、それらから受ける反力は互いに打ち消し合う力としてポンプシャフト21に作用する。特に、本実施形態の液圧ポンプ装置20では、2つのロッド25が互いに平行且つ上下方向に離して配置されているので、偶力としてチラー23に作用する。上下のロッド25,25の反力がチラー23を介してポンプシャフト21に伝達される場合、各々の反力はポンプシャフト21上で逆方向となり、それらが互いに打ち消し合うので、ポンプシャフト21に作用する水平荷重FH1が特許文献1のそれより小さくなる。

0047

具体的に説明すると、水平荷重FH1は、上側シリンダ機構22Uから受ける水平力をFUとし、下側シリンダ機構22Dから受ける水平力をFLとすると、以下のようになる。即ち、
FH=FU+FL …(1)
更に各水平力FU,FLは、波受部材13が受ける波力F1、波受部材13の長さr1、及びピン部材28とチラー23の回動中心との距離r2を用いて大よそ以下のようになる。
FU=((r1+r2)/r2)×F1 …(2)
FL=−((r1−r2)/r2)×F1 …(3)
前述する式(1)とこれら式(2)及び(3)から水平荷重FH1は、FH=2F1となる。これに対して、特許文献1のポンプにおける水平荷重FHは、式(4)となる。
FH=((R1+R2)/R2)×F1 …(4)
それ故、ポンプシャフト21に作用する水平荷重FH1は、従来の水平荷重FHより2/(R1+R2)だけ低く抑えることができる。それ故、ポンプシャフト21の小径化を果たすことができ、より大きな波力であっても小径のポンプシャフト21にて受け止めることができる。

0048

また、液圧ポンプ装置20は、一対のシリンダ機構22U,22Dの各々のロッド25がポンプシャフト21から同じ距離r2離して配置されている。それ故、チラー23の回動角に対する一対のシリンダ機構22U,22Dのロッド25のストローク量を同じにすることができる。これにより、一回の往復運動における吐出量を同じにすべく、一対のシリンダ機構22U,22Dにおいて同サイズのシリンダ機構を採用することができ、波力発電システム1の製造コストを抑えることができる。更に、液圧ポンプ装置20では、シリンダ機構22U,22Dを上下方向に離して配置しているので、液圧ポンプ装置20の設置面積を低減することができる。

0049

また、波力発電システム1では、ポンプシャフト21に両端部に波受機構10L,10Rが設けられており、ポンプシャフト21の両端部を波に合わせて回動させることができるので、ポンプシャフト21が捩れることを抑制することができる。

0050

[第2実施形態]
第2実施形態の波力発電システム1Aは、第1実施形態の波力発電システム1と構成が類似している。従って、第2実施形態の波力発電システム1Aの構成については、第1実施形態の波力発電システム1と異なる点について主に説明し、同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。

0051

第2実施形態の波力発電システム1Aは、図6に示すように波受機構10Aと、液圧ポンプ装置20Aと、液圧駆動回路40と、発電機65と、パワーコンディショナ66と、制御装置70とを備えており、波受機構10Aは、ラダーシャフト12Aと、波受部材13とを有している。ラダーシャフト12Aは、例えば海底等に設けられた基台11Aに回動可能に立設されている。ラダーシャフト12は、長尺の大略円柱状に形成されており、上下方向に延在している。ラダーシャフト12Aの中間部分には波受部材13が取り付けられている。より詳細に説明すると、波受部材13は、一対のアーム13a,13aを水平方向に延在させるようにしてラダーシャフト12Aに相対回転不能に取り付けられている。これにより、波受部材13がラダーシャフト12Aと一体的にラダーシャフト12Aの軸線回りに回転する。また、ラダーシャフト12Aの上端部には、フレキシブルジョイント14を介して液圧ポンプ装置20Aが連結されている。

0052

液圧ポンプ装置20Aは、第1実施形態の液圧ポンプ装置20と同じく、ポンプシャフト21と、一対のシリンダ機構22L,22Rと、チラー23とを有しており、その取り付けられる姿勢が異なる。即ち、液圧ポンプ装置20Aでは、一対のラムシリンダ機構22L,22Rがマウントベース7に平行且つ左右方向に並べて配置され、それらの間にポンプシャフト21が挿通されている。また、ポンプシャフト21は、床板4の開口4aを通って下方に延在し、フレキシブルジョイント14を介してラダーシャフト12Aの上端部に連結されている。また、床板4には、支持台8が配置されており、支持台8によってポンプシャフト21の中間部分が回動可能に支持されている。また、ポンプシャフト21には、チラー23が設けられており、チラー23によってポンプシャフト21と一対のロッド25,25とが連結されている。

0053

このように構成されている波力発電システム1Aでは、波受部材13がその紙面前後方向に波の力を受けて波受部材13が前後方向に動くと、それに応じてラダーシャフト12Aをその軸線回りに回動する。それに応じてポンプシャフト21及びチラー23もまた回動し、一対のシリンダ機構22L,22Rのロッド25,25が互いに反対方向に動かされる。これにより、一対のシリンダ機構22L,22Rの一方のポート27a,27a(又は他方のポート27b,27b)から第1ポンプ通路31(又は第2ポンプ通路32)を介して主通路41に作動液が吐出される。

0054

このように波力発電システム1Aでは、液圧ポンプ装置20Aの一対のシリンダ機構22L,22Rを水平方向に並べて作動液を吐出させているが、第1実施形態の液圧ポンプ装置20と同じくポンプシャフト21に作用する水平荷重の低減することができる。その他、波力発電システム1A及び液圧ポンプ装置20Aは、第1実施形態のそれらと同様の作用効果を奏する。

0055

[その他の実施形態について]
本実施形態の波力発電システム1,1Aは、ポンプシャフト21の上下又は左右に夫々シリンダ機構22U,22D,22L,22Rが1つずつ配置されているが、必ずしも1つである必要はない。例えば、2つずつ配置されてもよく、片側に1つで他方側に2つ配置されてもよい。また、3つ以上配置されてもよく、その本数は特に限定されない。また、波受機構10L,10R,10Aの数も2つ以下に限定されず、3つ以上であってもよい。また、一対のシリンダ機構22U,22D(22L,22R)は、必ずしも平行に配置されている必要もない。

0056

更に本実施形態の波力発電システム1,1Aは、パワーコンディショナ66を備えているが、必ずしも必要ではない。例えば、サーボ機構62によって出力軸61の回転速度を高い精度で制御することによって発電機65で発生する電力の周波数を高い精度で調整することができる。これにより、発電機65で発生する電力の周波数を電力系統に接続される際に要求される値(又は範囲)に調整することができ、発生した電力をパワーコンディショナ66を介することなく電力系統に伝送させることができる。また、パワーコンディショナ66によって発電機65で発生する電力の周波数を調整できるので、サーボ機構62も必ずしも必要ではない。

0057

また、本実施形態の波力発電システム1,1Aでは、アキュムレータ43及び液圧モータ60を1つしか備えていないが、アキュムレータ43及び液圧モータ60が複数備わっていてよい。即ち、容量の異なるアキュムレータ43及び液圧モータ60を備えるようにし、液圧ポンプ装置20から吐出される作動液の圧力に応じて使用するものを切替えるようにする。これにより、大きさが変化する様々波のエネルギーに対して効率よく発電することができる。

0058

1,1A波力発電システム
13波受部材
20液圧ポンプ装置
21ポンプシャフト(シャフト)
22U 上側シリンダ機構
22D 下側シリンダ機構
22L 左側シリンダ機構
22R 右側シリンダ機構
23チラー(連結部材)
43アキュムレータ
60液圧モータ
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