波力発電装置、波力発電方法
【課題】波力発電装置及び波力発電方法を提供する。
【解決手段】海面上に設置された全体浮体１２と、前記海面上の波浪を受けて前記全体浮体１２に対して所定の固有周期で相対運動が可能な発電浮体２２と、前記全体浮体１２と前記発電浮体２２に跨って取り付けられ、前記相対運動に負荷を与えることより誘導起電力を発生する誘導起電力発生機構１２０と、前記波浪の周期を測定し、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させる同期制御手段（質量調整機構３０、復元力発生機構１００）と、を有することを特徴とする。
【解決手段】海面上に設置された全体浮体１２と、前記海面上の波浪を受けて前記全体浮体１２に対して所定の固有周期で相対運動が可能な発電浮体２２と、前記全体浮体１２と前記発電浮体２２に跨って取り付けられ、前記相対運動に負荷を与えることより誘導起電力を発生する誘導起電力発生機構１２０と、前記波浪の周期を測定し、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させる同期制御手段（質量調整機構３０、復元力発生機構１００）と、を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海上での波力を駆動力とする、高効率の浮体型の波力発電装置、及び波力発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止のためのＣＯ２削減、化石燃料の枯渇に対応するリニューアブルエネルギーの開発は世界的に重要な課題となっている。リニューアブルエネルギーには太陽光発電、風力発電、バイオマス発電、波力発電等があるが、四方を海に囲まれた日本にとっては波のエネルギーを利用した波力発電の開発は極めて重要である。波力発電の歴史は長く、１９８０年代の石油危機を契機として石油に替わる代替エネルギーの一つとして、研究開発が活発かつ積極的に行われ、波浪エネルギー吸収方法がいろいろ考案されている（特許文献１参照）。また沿岸固定式や浮体運動利用型、浮遊型浮体空気式など実用化に向けて実海域での実験も積極的に行われているが、実用化に至っていないのが実情である。
【０００３】
波力発電装置の開発で重要なことの一つは、変動する波浪条件に対して広い波周期範囲で高い波浪エネルギー吸収効率の得られる機構を持っていることである。もう一つ重要なことは、低波高に対しても有効な発電ができ、高い稼働率を維持することである。従来の開発ではこれらの課題が充分に解決されていないことが実用化を妨げている。
【０００４】
特許文献１に見られるような従来の波力発電装置のうち、空気室を有する沿岸固定波力発電や浮体式波力発電においては、波浪エネルギーを空気の運動エネルギーに変え、この空気の運動によってタービンを回転させ、発電機で発電している。
【０００５】
しかし、この波力発電装置で高効率の発電効率を得るためには、波浪エネルギーを空気の運動エネルギーに変える一次変換効率、空気の運動エネルギーをタービンの回転運動に変える二次変換効率、及び発電機の効率を高める必要がある。また、空気室を用いないで波浪による浮体運動を利用する場合でも、浮体の上下運動を回転運動に変換後に、その回転運動により発電機を駆動させて電力を得るものであり、夫々の変換効率を高くする必要がある。これらの波力発電装置は波浪エネルギーを空気室の空気の運動エネルギーや浮体の運動に変換した後に発電機で発電するため、一次変換、二次変換するたびに変換ロスが生じ、トータルのエネルギー変換効率を高めるのに問題があった。
【０００６】
また、従来の波力発電装置では、空気室の大きさや浮体の大きさで、空気室運動及び浮体の運動の固有周期が決まることから、高い波浪エネルギー吸収効率は限られた周期の波浪に対して得られるのみであって、実海域の色々な波周期を持つ不規則波中では波浪エネルギーを充分に回収できないという問題があった。
【０００７】
このような問題を解決するため、特許文献２においては、波面に浮かべた浮動体上に重量物を弾性部材で弾性的に支持し、浮動体と重量物間に重量物の移動に対し減衰力を生じさせ、かつその移動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電手段を設け、弾性部材の不減衰固有振動数が浮動体を加振する波の振動数と互いに振動数比ω／ω０の所定範囲内で近くなるように弾性部材のばね定数を設定し、弾性部材と波との共振現象を利用するようにした波力発電装置が開示されている。このように浮動体が共振する振動数を波の振動数に近づけることにより波の周波数が変動した場合でも波のエネルギーを効率よく吸収することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２９１９８８１号公報
【特許文献２】特願２００５−５１４９３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献２に係る発明においては浮動体に弾性部材を付加するので、浮動体の振動数を、浮動体の固有の振動数よりも高くすることは可能であるが、逆に低くすることはできない。したがって波力発電装置を構成する浮動体は用いられる波浪条件に応じて設計変更をしなければならず、コストがかかるといった問題があった。
【００１０】
さらに、従来の波力発電装置では、設計入射波で諸要素が設計されているため、低い波高では発電機の初期負荷が大きいため発電に至らず、稼働率が低くなるという問題があった。
そこで、本発明は上記問題点に着目し、エネルギー変換におけるエネルギー損失を低減し、かつ不規則波においても波浪エネルギーを充分に変換可能な波力発電装置、及び波力発電方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明に係る波力発電装置は、第１には、海面上に設置された全体浮体と、前記海面上の波浪を受けて前記全体浮体に対して所定の固有周期で相対運動が可能な発電浮体（前記浮動体に相当）と、前記全体浮体と前記発電浮体に跨って取り付けられ、前記相対運動により誘導起電力を発生する誘導起電力発生機構と、前記波浪の周期を測定し、前記固有周期を長周期側または短周期側にシフトさせることにより前記波浪の周期に同期させる同期制御手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
上記構成により、発電浮体の全体浮体に対する相対運動そのものから直接的に誘導起電力を発生させることができるため、波浪エネルギーから電力への変換効率を大幅に高めることができる。また発電浮体の固有周期を長周期側または短周期側にシフトさせることにより波浪の周期に同期させるので、広範囲の波周期に対して発電浮体の運動応答を大きくすることができ、広範囲の波周期に対して高い発電効率を得ることが可能な波力発電装置となる。
【００１３】
第２には、前記同期制御手段は、前記発電浮体に取り付けられ、前記発電浮体に取り込むバラストの量を調整することにより前記発電浮体の質量を調整する質量調整機構と、前記全体浮体と前記発電浮体に跨って取り付けられ、前記発電浮体に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与える復元力発生機構と、を有し、前記質量調整機構及び前記復元力調整機構は、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように駆動することを特徴とする。
【００１４】
上記構成により、復元力発生機構の発電浮体に対する復元力を大きくすると発電浮体の固有周期を短くすることができる。一方。質量調整機構を駆動させて発電浮体の発電浮体に取り込むバラストの量を増やすと質量が大きくなり、発電浮体の固有周期を長くすることができる。このため、全体浮体に対して相対運動を行なう発電浮体本来の固有周期が波浪の周期より短いものに設計されていても、波浪エネルギーを効果的に吸収するための周期への調整が可能となるので、簡易な構成で広範囲の波周期に対して発電浮体の運動応答を大きくすることができ、広範囲の波周期に対して高い発電効率を得ることが可能な波力発電装置となる。
【００１５】
第３には、前記質量調整機構は、前記発電浮体にバラスト水を取り込む増量用ポンプと、前記発電浮体に取り込まれたバラスト水を外部に排出する減量用ポンプと、前記波浪の周期と前記発電浮体の周期との差分に基づいて前記増量用ポンプ及び前記減量用ポンプのいずれか一方を駆動させる比較器と、を有することを特徴とする。
【００１６】
上記構成により、前記発電浮体にバラスト水を取り込む増量用ポンプと、前記発電浮体に取り込まれたバラスト水を外部に排出する減量用ポンプと、により発電浮体に取り込むバラスト水の出し入れを容易に行い、これに基づいて発電浮体の質量の調整を容易に行うことができる。
【００１７】
第４には、前記質量調整機構は、前記全体浮体に固定され前記発電浮体を吊り上げるジャッキと、前記ジャッキと前記発電浮体との間に介装され、弾性力により前記発電浮体を吊り上げる吊り上げバネと、前記質量調整機構の駆動に対応して前記発電浮体の初期位置を維持するように前記ジャッキの駆動量を調整する変位制御手段と、を有することを特徴とする。
【００１８】
上記構成により、発電浮体の初期位置を常に維持することができるので、波力発電装置において発電浮体の固有周期以外の特性の変動を抑制して効率的に発電を行なうことができる。
【００１９】
第５には、前記質量調整機構は、前記発電浮体上に載置される複数のバラストウエイトと、前記全体浮体側に取り付けられ、各バラストウエイトを吊り上げ可能な複数の巻上げモータと、前記波浪の周期と前記発電浮体の周期との差分に基づいて前記巻き上げモータの駆動数を制御して前記バラストウエイトの前記発電浮体に載置する個数を制御するシフトレジスタと、を有することを特徴とする。
【００２０】
上記構成により、発電浮体にバラストウエイトを載置することにより発電浮体の固有周期を長くすることができる。またその載置する数を調整することにより、その長波長側への変化量を調整することができる。したがって簡易な構成で発電浮体の周期の調整を行うことができる。
【００２１】
第６には、前記復元力発生機構は、前記全体浮体及び前記発電浮体に接続され、前記発電浮体の振幅方向に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与える複数の周期調整バネと、前記周期調整バネと前記全体浮体との間及び前記周期調整バネと前記発電浮体との間のいずれか一方に介装され、前記周期調整バネの前記全体浮体及び前記発電浮体のいずれか一方との接続及び解除が可能な固定手段と、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように各固定手段のオンオフ制御を行う周期比較器と、を有することを特徴とする。
【００２２】
上記構成により、発電浮体に復元力を与える周期調整バネと、前記復元力のオンオフ切り替えを行う固定手段により、復元力発生機構全体のバネ定数に相当する物理量を変化させることができる。よって復元力発生機構の復元力の調整は、復元力発生機構のバネ定数に相当する物理量を制御することにより行うことになるので、簡単な構成で復元力の調整を行うことができる。
【００２３】
第７には、前記復元力発生機構は、前記全体浮体及び前記発電浮体に接続され、前記発電浮体の振幅方向に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与えるエアシリンダーと、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように前記エアシリンダー内の気圧を調整することにより前記発電浮体への復元力を調整する気圧調整機構と、を有することを特徴とする。
【００２４】
上記構成により、復元力発生機構の復元力の調整は復元力発生機構を構成するエアシリンダー内の気圧を制御することにより行うので、簡単な構成で復元力の調整を行うことができるとともに、気圧の調整は無段階に行うことができるので、発電浮体の固有周期の調整を精度よく行うことができる。
【００２５】
第８には、前記誘導起電力発生機構は、前記全体浮体に取り付けられ、前記発電浮体を挿通するとともに前記相対運動の方向に並べて取り付けられた複数の発電コイルと、前記発電浮体に取り付けられ、前記複数の発電コイルを挿通するとともに各発電コイルの取り付け間隔に対応して取り付けられ前記複数の発電コイルに誘導起電力を発生させる複数の磁石と、前記発電浮体から得られる電力が最大となるように前記複数の発電コイルのうち送電側に接続する発電コイルの個数の制御を行なうスイッチ論理計算部と、を有することを特徴とする。
【００２６】
上記構成により、誘導起電力発生機構は、多段階に設けられた発電コイルと、発電コイルの取り付け位置に対応して取り付けられた磁石を用いる。よって、磁石に発電コイルの厚み程度の相対運動をさせるだけで誘導起電力を発生させることができるため、波高が小さい場合でも電力を発生させることができる。そして相対運動が発電コイルの複数段分に相当する振幅を持つ場合は、１周期の相対運動で誘導起電力を複数段分発生させることができるので効率よく電力を発生させることができる。さらに誘導起電力発生機構の発電浮体からのエネルギー吸収効率を最大にすることにより、発電浮体の位置エネルギーの損失を最小に抑え、発電効率を大幅に高めることが可能な波力発電装置となる。
【００２７】
第９には、前記スイッチ論理計算部は、前記発電浮体の振幅が所定の値以上であるときに前記複数の発電コイルを全て送電側に接続する制御を行い、前記発電浮体にかかる負荷を最大にし、前記相対運動に制動をかけることを特徴とする。
上記構成により、波浪が所定の振幅を超えた場合に、負荷が最大となるように制御するため、発電浮体の振幅を抑えて発電浮体の破損を防止することができる。
【００２８】
第１０には、前記スイッチ論理計算部は、所定時間ごとに前記発電浮体から得られる電力を測定し、前記電力が最大となるように前記発電コイルの送電側に接続する個数の制御を行なうことを特徴とする。
上記構成により、波浪エネルギーの時間的な変動に対応して負荷の大きさを調整するので、波浪から効率よく電力を取得することができる。
【００２９】
第１１には、前記発電浮体は、海面下で前記相対運動を行う運動浮体と、前記浮体部の上部に取り付けられ、鉛直方向に伸びて海面上に露出するとともに、前記露出した位置に前記誘導起電力発生機構が取り付けられた柱部と、からなることを特徴とする。
【００３０】
上記構成により、海面に露出した柱部の断面積を小さくすることが可能である、よってこの断面積を小さくすることにより波浪による影響を小さくして発電浮体の固有周期を容易に制御することができる。
【００３１】
第１２には、前記発電浮体は、水平方向を回転軸として前記全体浮体にピン結合されて前記全体浮体に対して所定の固有周期で振子運動が可能とされ、前記誘導起電力発生機構は、前記全体浮体と前記発電浮体に跨って形成され、前記振子運動により起電力を発生させ、前記同期制御手段は、前記発電浮体に取り付けられたウエイトを前記発電浮体の動径方向にスライドさせることにより前記発電浮体の慣性モーメントを調整する慣性モーメント調整機構と、前記全体浮体と前記発電浮体に跨って取り付けられ、前記振子運動の方向から前記発電浮体に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与える復元モーメント発生機構と、を有し、前記慣性モーメント調整機構及び前記復元モーメント発生機構は、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように駆動することを特徴とする。
【００３２】
上記構成により、発電浮体が受ける水平方向からの力により発電浮体が全体浮体に対して振子運動を行なう構成にすることにより、水平方向の力が大きい波浪から効果的に波浪エネルギーを吸収することが可能な波力発電装置となる。
【００３３】
第１３には、前記発電浮体は、前記全体浮体に複数設けられ、各発電浮体に前記誘導起電力発生機構、前記同期制御手段がそれぞれ設けられたことを特徴とする。
上記構成により、全体浮体に対して、誘導起電力発生機構、及び同期制御手段を個別に備えた発電浮体を複数取り付けることによって大きな電力を得ることができる。さらに取り付け範囲を波浪の波長以上の範囲に分布させることにより、各発電浮体に与えた負荷の全体浮体に対する反力を相殺することができるので、各発電浮体において効率よく発電することができる。
【００３４】
一方、本発明に係る波力発電方法は、海面上に設置された全体浮体と、前記海面上の波浪を受けて振幅する発電浮体と、の相対運動により誘導起電力を発生させるとともに、前記発電浮体の固有周期を長周期側または短周期側にシフトさせることにより前記波浪の周期に同期させることを特徴とする。
【００３５】
上記方法により、発電浮体の全体浮体に対する相対運動そのものから直接的に誘導起電力を発生させることができるため、波浪エネルギーから電力への変換効率を大幅に高めることができる。また発電浮体の固有周期を長周期側または短周期側にシフトさせることにより波浪の周期に同期させるので、広範囲の波周期に対して発電浮体の運動応答を大きくすることができ、広範囲の波周期に対して高い発電効率を得ることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明に係る波力発電装置及び波力発電方法によれば、発電浮体の全体浮体に対する相対運動そのものから直接的に誘導起電力を発生させることができるため、波浪エネルギーから電力への変換効率を大幅に高めることができる。また発電浮体の固有周期を波浪の周期に同期させるので、広範囲の波周期に対して発電浮体の運動応答を大きくすることができ、広範囲の波周期に対して高い発電効率を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１実施形態に係る波力発電装置の模式図である。
【図２】第１実施形態に係る質量調整機構の制御ブロック図である。
【図３】第１実施形態に係る高さ調整機構の制御ブロック図である。
【図４】第１実施形態に係る復元力発生機構の動作及び制御ブロックの模式図である。
【図５】第１実施形態に係る誘導起電力発生機構の制御ブロック図である。
【図６】第２実施形態に係る波力発電装置の模式図である。
【図７】第３実施形態に係る波力発電装置の模式図である。
【図８】第４実施形態に係る波力発電装置の模式図である。
【図９】本実施形態の変形例を示す模式図である。
【図１０】円柱浮体の上下運動のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】円柱浮体のエネルギー吸収のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００３９】
図１に第１実施形態に係る波力発電装置１０の模式図を示す。第１実施形態に係る波力発電装置１０は、海面上に設置された全体浮体１２と、前記海面上の波浪を受けて前記全体浮体１２に対して所定の固有周期で相対運動が可能な発電浮体２２と、前記全体浮体１２と前記発電浮体２２に跨って取り付けられ、前記相対運動により誘導起電力を発生する誘導起電力発生機構１２０と、前記波浪の周期を測定し、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させる同期制御手段と、を有するものである。
【００４０】
前記同期制御手段は、前記発電浮体２２に取り付けられ、前記発電浮体２２に取り込むバラスト（第１実施形態ではバラスト水６０）の量を調整することにより前記発電浮体２２の質量を調整する質量調整機構３０と、前記全体浮体１２と前記発電浮体２２に跨って取り付けられ、前記発電浮体２２に弾性力を与えることにより前記発電浮体２２に復元力を与える復元力発生機構１００と、を有し、前記質量調整機構３０及び前記復元力調整機構１００は、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように駆動するものである。
【００４１】
質量調整機構３０は、詳細は後述するが発電浮体２２からバラスト水６０の出し入れを行なうことにより発電浮体２２の質量を調整するものである。さらに質量の調整により発電浮体２２の初期位置（発電浮体２２が振動していないときの高さ、または振動しているときの平均の高さ）が変動するが、その変動分を高さ調整機構３１を構成するジャッキ７６により補正し初期位置を維持する構成を有している。
【００４２】
まず、第１実施形態の波力発電装置１０の構成を詳細に説明する前に、波力発電装置１０の動作について簡単に説明する。本実施形態に係る波力発電装置１０において、発電浮体２２にバラスト水６０がない場合には、発電浮体２２本来の固有周期で振動することになる。そして復元力発生機構１００（周期調整バネ１０６）により発電浮体２２に復元力を与えると、発電浮体２２の固有周期は短くなる。
【００４３】
一方、質量調整機構３０によりバラスト水６０を導入することにより発電浮体２２の質量が大きくなり、発電浮体２２の固有周期は長くなる。このとき発電浮体２２の初期位置が変位（低下）するため、この変位量に応じてジャッキ７６の駆動量を調整し、吊り上げバネ８０により発電浮体２２を引き上げて初期位置の変動を抑制している。これにより波力発電装置１０において発電浮体２２の固有周期以外の特性の変動を抑制して効率的に発電を行なうことができる。
【００４４】
また誘導起電力発生機構１２０は、発電浮体２２の相対運動から誘導起電力を発生させるとともに、負荷を発電浮体２２に与える。この負荷を発電浮体２２の造波減衰力と等しくなるように制御した場合において後述の理由により発電浮体２２から最も効率的に電力を抽出することができる。
【００４５】
したがって、波力発電装置１０を用いた波力発電方法は、海面上に設置された全体浮体１２と、前記海面上の波浪を受けて振幅する発電浮体２２と、の相対運動により（誘導起電力発生機構１２０を用いて）誘導起電力を発生させるとともに、前記発電浮体２２の固有周期を前記波浪の周期に同期させるものである。
【００４６】
また、前記固有周期の前記波浪の周期への同期は、（質量調整機構３０を用いて）前記発電浮体２２に取り込むバラスト（バラスト水６０）の量を調整する、及び／もしくは、（復元力発生機構１００を用いて）前記発電浮体２２の振幅の方向に与える弾性力を調整する、ことにより行なうものである。
【００４７】
さらに、前記波浪の波高に合わせて（誘導起電力発生機構１２０を用いて）前記発電浮体２２の前記波浪からの吸収エネルギーを前記固有周期から算出し、発電に起因する前記発電浮体２２への負荷を調整するものである。
【００４８】
このように質量調整機構３０及び復元力発生機構１００を用いて発電浮体２２の相対運動の周期を波浪の周期に同期するように制御する一方、誘導起電力発生機構１２０は質量調整機構３０及び復元力発生機構１００とは独立に制御できるが、これは以下の理由による。
【００４９】
いま、海面上を進行する波浪が単一の周波数ωで振動しているものとする。この場合、発電浮体の鉛直方向の変位ξに関する運動方程式は以下のようになる。
【数１】
【００５０】
ここで、Ｍは発電浮体の質量、ｍ１は発電浮体の付加質量、Ｎは発電浮体の造波減衰力、ｃは発電浮体の固有の復元力の係数、ｄは発電に起因する発電浮体への負荷、ｍ２は外部から発電浮体に付加する質量（バラスト）、ｋは外部から発電浮体に与える復元力の係数（バネ定数）、Ｆｗは波浪強制力である。またＮ、ｍ１、Ｆｗはωに依存する物理量である。
【００５１】
このような規則波における単位幅あたりの波のパワーＥｗは以下のようになる。
【数２】
【００５２】
ここで、ρは海水密度、ｇは重力加速度、Ｈは波高である。一方、発電浮体が吸収できるパワーＥ１は以下のようになる。
【数３】
【００５３】
数式３に数式１を代入することによって吸収効率ηは以下で求められる。
【数４】
【００５４】
ここで、吸収効率ηは、以下の条件のとき最大となる。
【数５】
【数６】
ここで負荷ｄは数式３に示すように吸収パワーと関連しており、発電に寄与するコイルの数を変化させることにより負荷ｄも変更できる。すなわち、発電出力を小さくすればｄも小さくなり、逆に大きくすればｄも大きくなる。
【００５５】
したがって、発電浮体から最大の電力を得るためには、数式５の関係を満たすように、外部からの復元力の係数ｋ（バネ定数）と付加する質量ｍ２（バラスト）を調整して発電浮体の上下動を波浪の周期に同期させ、かつ発電に起因する負荷ｄが、発電浮体の造波減衰力Ｎと等しくなることが条件であることがわかる。さらに数式４、数式５から、復元力の係数ｋ（バネ定数）と負荷ｄは、ωに依存するものの、互いに独立に制御可能であるから、質量調整機構３０（付加する質量（バラスト）ｍ２を制御）、復元力発生機構１００（復元力の係数ｋ（バネ定数）を制御）及び誘導起電力発生機構１２０（負荷ｄを制御）は、互いに独立に制御可能であることがわかる。
【００５６】
なお、実際の波浪の周期は単一の周期ではなく、様々な周期の波の重ね合わせにより形成されたものである。すなわち、波浪を周期方向で見るとデルタ関数的なスペクトルではなく、周期方向に広がったスペクトルを有している。ただし、波浪スペクトルは明確なピーク周期をもつスペクトルであるので、発電浮体２２の固有周期を波浪の周期に同期させるとは、発電浮体２２の固有周期を波浪スペクトルのピーク周期に合わせることを意味する。
【００５７】
以下、各構成要件について詳細に説明する。
全体浮体１２は、海面上に設置された浮体であって、チェーン等（不図示）で陸地や海底に係留されている。全体浮体１２は、中心に貫通孔２０を有する平板状のデッキ１４と、デッキ１４下面の所定位置に取り付けられ鉛直下方に伸びる複数の脚１６と、脚１６の下端に取り付けられ浮力を発生させる浮体１８とを有する。浮体１８は、デッキ１４が海上に浮いた状態になる程度の浮力があることが望ましく、このとき脚１６の適当な位置が海面と高さ方向で重なることになる。このように全体浮体１２を半没水型とすることにより波に対して揺れにくくすることができる。なお脚１６と脚１６の下端に取り付けられた浮体１８は同じ断面を有し、一つの円柱もしくは角柱を形成してもよい。
【００５８】
また全体浮体１２は、海面上に浮かせつつ陸地に固定して、波に対して揺れないようにしても良い。さらに脚１６を海底にまで伸ばして固定することにより、全体浮体を固定しても良い。
【００５９】
発電浮体２２は、全体浮体１２に取り付けられ、波力を受けて全体浮体１２との間で鉛直方向に相対運動するものである。発電浮体２２は、海面下で前記相対運動を行う運動浮体２４と、前記運動浮体２４の上部に取り付けられ、前記運動浮体２４より細身で鉛直方向に伸びて海面上に露出した柱部２６と、を有し、全体としてフーティング・カラム型の浮体形状を有している。このような形状を有することにより、海面に露出した柱部の断面積を小さくすることが可能である、よってこの断面積を小さくすることにより波浪による影響を小さくして発電浮体２２の固有周期を容易に制御することができる。
【００６０】
柱部２６は円筒形の形状を有し、デッキ１４の貫通孔２０を貫通し、その上端がデッキ１４より所定の高さ位置だけ露出している。一方、運動浮体２４は少なくとも貫通孔２０の直径より大きな寸法を有している。柱部２６の上端には、復元力発生機構を構成し少なくとも貫通孔２０より大きな直径を有する後述の第２のフランジ１０２が取り付けられ、第２のフランジ１０２と運動浮体２４とを複数のガイドシャフト２８で接続している。このためデッキ１４の所定位置には各ガイドシャフト２８を鉛直方向に挿通するガイド孔１４ａが複数形成されている。このように発電浮体２２に第２のフランジ１０２を取り付けることによって、発電浮体２２が全体浮体１２から外れることはなく、また上述のようにガイドシャフト２８を接続することにより、発電浮体２２は全体浮体１２に対して１方向（鉛直方向）のみに相対運動を行うことができる。
【００６１】
発電浮体２２は、固有の復元力を有するため、波を受けると固有の周期で鉛直方向に振動する。発電浮体２２は中立時及び振動時において、細身の柱部２６の所定位置に海面が来るように運動浮体２４の浮力を調整する。浮力の調整は運動浮体２４の内部に海水等の錘を充填することによって行う。このように、水線面の小さい柱部２６の範囲に波の変位（水面）が来るようにすることで、発電浮体２２を鉛直方向以外の方向に揺れにくくし、固有の周期による振動を得やすくするとともに、後述の復元力発生機構による固有周期の制御が容易となる。発電浮体２２の固有周期は、柱部２６及び運動浮体２４の質量や大きさ、上述の水線面の断面積、運動浮体２４に設けられた錘の重さ等に依存する。また発電浮体２２の固有周期が一度設計されてしまうと、波浪の周期が固有周期から離れた場合に、発電浮体２２は充分に波浪エネルギーを吸収できなくなる。そこで後述の質量調整機構３０、復元力発生機構１００により固有周期の調整を行う。
【００６２】
図２に本実施形態のバラスト水による質量調整機構の制御ブロック図を示す。質量調整機構３０は、発電浮体２２の質量を調整して発電浮体２２の固有周期を調整するものであるが、特に発電浮体２２の固有周期を発電浮体２２本来の固有周期より長くするときに用いられる。
【００６３】
質量調整機構３０は、発電浮体２２に形成された海水取入口３２からバラスト水６０を発電浮体２２内に取り込む増量用ポンプ３４と、発電浮体２２内に取り込まれたバラスト水６０を発電浮体２２に形成された海水排出口３６から排出する減量用ポンプ３８と、発電浮体２２に残留するバラスト水６０の量から発電浮体２２の固有周期を算出する浮体固有周期計算器４０と、波浪の周期と前記固有周期の差分に基づいた周期差分信号６８を出力する加算器６２と、周期差分信号６８に基づいて前記増量用ポンプ３４及び前記減量用ポンプ３８のいずれか一方を駆動させる比較器７０と、を有する。
【００６４】
また質量調整機構３０は、発電浮体２２中にバラスト水６０を貯水する水槽５０、増量用ポンプ３４の流量を積算する流量積算器５２、減量用ポンプ３８の流量を積算する流量積算器５４、流量積算器５２、５４が出力する積算量の差分を算出して流量差分信号５８を浮体固有周期計算器４０に出力する加算器５６、を有する。
【００６５】
よって浮体固有周期計算器４０は流量差分信号５８に基づいて水槽５０に残留するバラスト水６０の量を算出し、このバラスト水６０の量と発電浮体２２本来の質量や固有周期により、現在の発電浮体２２の固有周期を算出し、浮体固有周期信号４２を加算器６２に出力する。
【００６６】
加算器６２は海面上に配置された波周期検知器６４から出力された波浪の周期信号６６と浮体固有周期信号４２を入力し、両者の差分すなわち大小関係を示す周期差分信号６８（ａ）を比較器７０に出力するものである。
【００６７】
比較器７０は周期差分信号６８に基づいて、増量用ポンプ３４及び減量用ポンプ３８のいずれか一方を駆動させるものである。ここで、周期差分信号６８が正（ａ＞０）の場合、すなわち発電浮体２２の固有周期が波浪の周期より短い場合は増量用ポンプ３４を駆動させ、周期差分信号６８が負（ａ＞０）の場合、すなわち発電浮体２２の固有周期が波浪の周期より長い場合は減量用ポンプ３８を駆動させる。
【００６８】
ここで、上述の浮体固有周期信号４２、流量差分信号５８、波浪の周期信号６６、周期差分信号６８は常時出力されるため、発電浮体２２の固有周期は所定の時定数で波浪の周期に収束する。しかし波浪の周期が、バラスト水６０が水槽５０に完全に満たされたときの発電浮体２２の周期より長い場合は、バラスト水６０が水槽５０に完全に満たされた状態を維持することになる。また逆に波浪の周期が、水槽５０のバラスト水６０が空になったときの発電浮体２２本来の周期より短い場合は、水槽５０のバラスト水６０が空になった状態を維持することになる。
【００６９】
このように、発電浮体２２にバラスト水６０を取り込む増量用ポンプ３４と、発電浮体２２に取り込まれたバラスト水６０を外部に排出する減量用ポンプ３８と、により発電浮体２２に取り込むバラスト水６０の出し入れを容易に行い、これに基づいて発電浮体２２の質量の調整を容易に行うことができる。
【００７０】
図３に本実施形態に係る高さ調整機構の制御ブロック図を示す。高さ調整機構３１は質量調整機構３０に属するものであり、質量調整機構３０の駆動に伴って駆動するものである。高さ調整機構３１は、前記全体浮体１２に固定されたポール７２と、前記ポール７２に支持され前記発電浮体２２の上方を覆うように配置されたフランジ７４と、前記フランジ７４と前記ポール７２との間に介装され、前記フランジ７４の高さを調整するジャッキ７６と、前記フランジ７４と前記発電浮体２２とを接続する吊り上げバネ８０と、前記質量調整機構３０の駆動に対応して前記発電浮体２２の初期位置を維持するように前記ジャッキ７６の駆動量を調整する変位制御手段８２と、を有する。
【００７１】
ポール７２は、全体浮体１２を構成するデッキ１４上に鉛直方向に延びた状態で接続されている。ジャッキ７６はポール７２の先端に接続され、後述の変位制御手段８２に基づいてその上面の高さが制御される。ここでポール７２、ジャッキ７６は複数用いられているが、ジャッキ７６の上面の高さはデッキ１４を基準として全て同じになるように設計されている。フランジ７４はジャッキ７６の上面に取り付けられ、下面には発電浮体２２と接続する吊り上げバネ８０が接続されている。
【００７２】
吊り上げバネ８０は、前述の第２のフランジ１０２に接続しているが発電浮体２２全体を引き上げる目的を有するものである。ここで、吊り上げバネ８０のバネ定数は後述の周期調整バネのバネ定数より小さいことが望ましい。これにより吊り上げバネ８０の発電浮体２２の引き上げにより復元力発生機構への影響を小さくすることができる。
【００７３】
変位制御手段８２は、発電浮体２２の高さと初期位置との大小関係を算出し、ジャッキ７６に付属するアクチュエータ７８に正転（上昇）信号、または逆転（下降）信号を出力するものである。
【００７４】
変位制御手段８２は、発電浮体２２の高さを測定して浮体高さ信号８６を出力する浮体高さ測定器８４と、発電浮体２２の初期位置が入力された浮体高さ設定器８８と、浮体高さ測定器８４から入力される発電浮体２２の高さと、浮体高さ設定器８８から入力される発電浮体２２の初期位置との差分に基づいた高さ差分信号９０を出力する加算器９２と、高さ差分信号９０に基づいてジャッキ７６に付属するアクチュエータ７８に正転（上昇）信号９６及び逆転（下降）信号９８のいずれか一方を出力する比較器９４と、を有する。
【００７５】
浮体高さ測定器８４は、例えば発電浮体２２にレーザー光を照射してその反射光が戻るまでの時間を用いて発電浮体２２の高さを算出して浮体高さ信号８６を出力するものである。ここで発電浮体２２が波浪により高さ方向に振動している場合は、発電浮体２２の高さの平均値を算出するものとする。浮体高さ信号８６、高さ差分信号９０は質量調整機構３０が駆動する限り常時出力されるので、発電浮体２２の高さは所定の時定数で初期位置に収束する。なお浮体高さ測定器８４は、これ以外にも、後述の磁石１２４から得られる磁力をモニターしてその変化から発電浮体２２の高さを算出するようにしても良い。
【００７６】
このように、発電浮体２２の質量を調整しても発電浮体２２の初期位置を常に維持することができるので、波力発電装置１０において発電浮体２２の固有周期以外の特性の変動を抑制して効率的に発電を行なうことができる。
【００７７】
図４に第１実施形態に係る復元力発生機構の動作及び制御ブロックを示す模式図を示す。図４（ａ）は周期調整バネ１０６の圧縮時、図４（ｂ）は周期調整バネ１０６の伸長時を示す。復元力発生機構１００は、発電浮体２２に機械的な弾性力を与えて、発電浮体２２の復元力を制御することにより、発電浮体２２の固有周期を所定の周期に調整するものである。ここで復元力発生機構１００が発電浮体２２に与える弾性力の方向は発電浮体２２の運動方向（鉛直方向）と平行で、かつ同相であるので、復元力発生機構１００が発電浮体２２に弾性力を与えることにより発電浮体２２の復元力は増加し、これにより発電浮体２２の周期が短くなる。
【００７８】
復元力発生機構１００は、発電浮体２２に設けられ、全体浮体１２との間で高さ方向に隙間１０４を形成する第２のフランジ１０２と、隙間１０４に介装された複数の周期調整バネ１０６と、第２のフランジ１０２において、第２のフランジ１０２に接続された各周期調整バネ１０６の位置に対応して形成され、前記各周期調整バネ１０６の一端１０６ａにそれぞれ接続し、前記一端１０６ａを前記第２のフランジ１０２に固定または前記第２のフランジ１０２から開放可能な複数の固定手段１０８と、発電浮体２２の固有周期を前記波浪の周期に同期させるように各固定手段１０８のオンオフ制御を行う周期比較器１１８と、を有する。
【００７９】
第２のフランジ１０２は、平面視して円形形状を有し、その中心と柱部２６の上端とが接続している。周期調整バネ１０６及び固定手段１０８は、第２のフランジ１０２の中心、すなわち柱部２６の軸心に対して中心対称性を有するように複数設けられている。図１では、簡単のため周期調整バネ１０６及び固定手段１０８はそれぞれ２つ記載している。また各周期調整バネ１０６は同一の寸法で同一のバネ定数を有するものが望ましい。
【００８０】
固定手段１０８は、各周期調整バネ１０６の一端１０６ａを第２のフランジ１０２に固定し、またはその固定を解除する電磁クラッチ構造を有するものである。固定手段１０８は、周期調整バネ１０６の一端１０６ａに取り付けられた被固定部材１１０と、第２のフランジ１０２に形成され周期調整バネ１０６を挿通する貫通孔１１２と、同様に第２のフランジ１０２に固定され貫通孔１１２の上部及び下部にはみ出るように貫通孔１１２内壁に取り付けられ、被固定部材１１０（周期調整バネ１０６）の振動方向を鉛直方向に定めるとともに周期比較器１１８から入力される駆動信号により被固定部材１１０を鉛直方向の所定位置に固定するガイド部材１１４と、を有する。なお被固定部材１１０の形状は円形でも矩形でもよく、これに対応してガイド部材１１４の内壁も被固定部材１１０の外形に倣った形状としてもよい。
【００８１】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、左側の被固定部材１１０のみがガイド部材１１４に固定された場合、左側の被固定部材１１０に固定された周期調整バネ１０６は発電浮体２２の相対運動により圧縮応力または引張応力を受けるとともに、発電浮体２２に対して弾性力を与えることになり、発電浮体２２の復元力が増加する。一方、右側の被固定部材１１０がガイド部材１１４に固定されていないので、右側の被固定部材１１０に接続する周期調整バネ１０６は自然長を維持しつつガイド部材１１４に対して鉛直方向にスライドすることになり、発電浮体２２に対して弾性力は与えないことになる。
【００８２】
上述のように周期調整バネ１０６及び固定手段１０８は複数配設されている。よって波力発電装置１０において、発電浮体２２の全体浮体１２に対する相対運動の周期は、発電浮体２２の固有の周期、周期調整バネ１０６の周期（バネ定数）、第２のフランジ１０２に固定された周期調整バネ１０６の個数によって決定される。したがって、相対運動の周期の波浪の周期への同期は、第２のフランジ１０２に固定された周期調整バネ１０６の個数を固定手段１０８を介した制御により行うことができる。特に発電浮体２２に復元力を与える周期調整バネ１０６の個数を増やすと復元力発生機構１００全体のバネ定数に相当する物理量が増加するため相対運動の固有周期は短くなる。よって波力発電装置１０の同期可能な周期の範囲を広げるためには発電浮体２２の固有の周期を長くし、かつ周期調整バネ１０６（固定手段１０８）の個数を増やす必要がある。
【００８３】
周期比較器１１８は、発電浮体２２の固有周期を波周期検知器６４から入力される波浪の周期信号６６に同期させるように第２のフランジ１０２に固定する周期調整バネ１０６の個数を制御するものである。周期比較器１１８は、周期調整バネ１０６への固定数を制御することにより発電浮体２２の固有周期を離散的に変化させることができる。
【００８４】
周期比較器１１８は、例えば周期調整バネ１０６の個数がｎ個ある場合に、周期調整バネ１０６の固定を全て解除した場合からｎ個全て固定した場合までの互いに異なる固有周期となる全ての組み合わせ（Ｔ１、Ｔ２、・・・Ｔｋ）についての情報を有し、入力された波浪の周期信号６６に最も近い固有周期となる組み合わせを選択し、その組み合わせに係る周期調整バネ１０６を第２のフランジ１０２に固定するように対応する固定手段１０８に駆動信号を出力する。
【００８５】
ここで各組み合わせ（Ｔ１、Ｔ２、・・・Ｔｋ）に従って接続される周期調整バネ１０６は、発電浮体２２の柱部２６を中心として中心対称となるように割り当てることが望ましい。これにより周期調整バネ１０６から発電浮体２２に対して鉛直方向以外の方向への力が及ぶことを抑制して発電浮体２２の発電効率の低下を防止することができる。
【００８６】
復元力発生機構１００において、波浪の周期がすべての周期調整バネ１０６を第２のフランジ１０２に接続したときの発電浮体２２の固有周期より短い場合は、すべての周期調整バネ１０６を第２のフランジ１０２に固定した状態を維持することになる。また逆に波浪の周期が周期調整バネ１０６を全て第２のフランジ１０２から切り離したときの発電浮体２２の固有周期より長い場合は、周期調整バネ１０６を全て第２のフランジ１０２から切り離した状態を維持することになる。
【００８７】
このように復元力発生機構１００は、発電浮体２２に復元力を与える周期調整バネ１０６と、復元力のオンオフ切り替えを行う固定手段１０８により、復元力発生機構１００全体のバネ定数に相当する物理量を変化させることができる。よって復元力発生機構１００の復元力の調整は、復元力発生機構１００のバネ定数に相当する物理量を制御することにより行うことになるので、簡単な構成で復元力の調整を行うことができる。なお復元力発生機構１００において、周期調整バネ１０６は、全体浮体１２のデッキ１４に接続された形となっているが、全体浮体１２側に接続されたフランジ７４に周期調整バネ１０６の一端１０６ａの反対側の他端１０６ｂを接続してもよい。また固定手段１０８も同様にフランジ７４（全体浮体１２側）に設け、周期調整バネ１０６の一端１０６ａを第２のフランジ１０２に接続し、他端１０６ｂを固定手段１０８に接続してもよい。
【００８８】
上述の質量調整機構３０と復元力発生機構１００においては、結果的に波浪の周期が発電浮体２２本来の固有周期以下であれば復元力発生機構１００が駆動し、発電浮体２２本来の固有周期以上であれば質量調整機構３０が駆動するものとして説明した。しかし、これらを共に駆動させることは可能であり、本実施形態においては、発電浮体２２の周期を決定する２つのパラメータ（復元力、質量）を有することになるので、波力発電装置１０の設計及び波浪の状態に対応して２つのパラメータの重み付けを適宜設計する構成としても良い。なお質量調整機構３０（高さ調整機構３１）を駆動させる際には、復元力発生機構１００の周期調整の誤差を無くすため、発電浮体２２の高さが初期位置に戻るまで周期調整バネ１０６の第２のフランジ１０２への固定を全て解除する必要がある。
【００８９】
図１に示すように、誘導起電力発生機構１２０は、全体浮体１２及び発電浮体２２に跨って取り付けられ、発電浮体２２の全体浮体１２に対する相対運動を利用して誘導起電力を発生させるものである。
【００９０】
図５に誘導起電力発生機構の制御ブロック図を示す。誘導起電力発生機構１２０は、前記全体浮体１２に取り付けられ、前記発電浮体２２を挿通するとともに前記相対運動の方向に並べて取り付けられた複数の発電コイル１２２と、前記発電浮体２２に取り付けられ、前記複数の発電コイル１２２を挿通するとともに各発電コイル１２２の取り付け間隔に対応して取り付けられ前記複数の発電コイル１２２に誘導起電力を発生させる複数の磁石１２４と、前記発電浮体２２から得られる電力が最大となるように前記複数の発電コイル１２２のうち送電側に接続する発電コイル１２２の個数の制御を行なうスイッチ論理計算部１３６と、を有するものである。
【００９１】
発電コイル１２２は複数（ｎ個）用意され、全体浮体１２の貫通孔２０に嵌め込み可能な円筒部材１２６に、発電浮体２２の相対運動の方向に多段階（等間隔）に巻きつけたのち、発電コイル１２２を巻きつけた円筒部材１２６を貫通孔２０に嵌め込むことで、発電コイル１２２は全体浮体１２に取り付けられる。
【００９２】
リング形状の磁石１２４は、その内径が発電浮体２２を構成する円筒形の柱部２６の外径とほぼ同一で、第２のフランジ１０２を取り付ける前の柱部２６の上端から挿通することができる。そして、各発電コイル１２２の取り付け間隔に対応した所定位置に多段階に取り付けられる。
【００９３】
誘導起電力発生機構１２０において、磁石１２４が発電コイル１２２に対して鉛直方向の運動をすることになるが、磁石１２４の厚みを発電コイル１２２と同程度に設計し、発電浮体２２が平衡の位置にあるとき、磁石１２４と発電コイル１２２が水平方向で互いに対向する位置になるように配置すればよい。これにより磁石１２４の発電コイル１２２に対する変動幅（発電浮体２２の全体浮体１２に対する相対運動の幅）が、少なくとも発電コイル１２２の厚み程度あれば発電が可能となり、波高が低い場合でも充分に発電することができるとともに、波高が発電コイル１２２の間隔の数倍あれば、一回の波浪の周期で発電コイル１２２において複数回発電ができるので効率的に発電を行うことができる。
【００９４】
図５に示すように、誘導起電力発生機構１２０において、発電コイル１２２は互いに並列に接続され、各発電コイル１２２が発生した交流電圧は整流回路１２８を介して直流に変換され蓄電部１３０に電力として蓄えられる。また各発電コイル１２２と蓄電部１３０とを結ぶ回路上には第１のスイッチ１３２（Ｓａ１、Ｓａ２、・・・Ｓａｎ）が介装され、第１のスイッチ１３２をオンオフ制御することにより発電コイル１２２の稼動数を制御することができる。また各回路には各回路を短絡可能とし一定の内部抵抗を有する第２のスイッチ１３４（Ｓｂ１、Ｓｂ２、・・・、Ｓｂｎ）が接続されている。第２のスイッチ１３４は通常の発電時は開放されているが、発電浮体２２の振幅が所定の振幅を超えた場合には、第２のスイッチ１３４が全て接続され、発電コイル２２は全て短絡させて発電浮体２２に最大負荷を与え、発電浮体２２の振幅を抑制する。この第１のスイッチ１３２及び第２のスイッチ１３４はスイッチ論理計算部１３６により制御される。
【００９５】
さらに各回路の整流回路１２８と蓄電部１３０との間には電力計１３１が設けられ、各発電コイル１２２からの電力は加算器１３１ａにより加算され、総和の平均値を算出してスイッチ論理計算部１３６にその値（Ｅ）を出力する。
【００９６】
スイッチ論理計算部１３６は、第１のスイッチ１３２（Ｓａ１、Ｓａ２、・・・Ｓａｎ）のオンオフ制御により発電コイル１２２の稼動数（蓄電部１３０への接続数）を制御して、発電浮体２２に対する負荷を与えるとともに、磁石１２４の厚み程度の発電浮体２２の相対運動においても発電を可能にするものである。またスイッチ論理計算部１３６は、発電浮体２２に与える負荷が発電浮体２２の造波減衰力と等しくなるように（造波減衰力に最も近くなるように）前記複数の発電コイル１２２のうち送電側に接続する発電コイル１２２の個数の制御を行うこともできる。上述のように発電浮体２２に与える負荷が浮体の造波減衰力に等しいときに発電浮体２２から最大電力を得ることができる。
【００９７】
ここで発電コイル１２２がｎ個あるとすると、誘導起電力発生機構１２０は互いに値の異なる負荷を離散的にｎ個有することになる。よって発電浮体２２に与える負荷が発電浮体２２の造波減衰力に最も近い負荷となる個数を計算することになる。このときその個数がｋ個（ｋ：ｎまでの任意の正の整数）である場合は、Ｓａ１からＳａｋまでのスイッチをＯＮとし、１番目の発電コイル１２２からｋ番目の発電コイル１２２を蓄電部１３０に接続する。なお、ｋ個の発電コイル１２２を蓄電部１３０に接続する際、発電コイル１２２の柱部２６における並び順に関わらず任意に選択することができる。
【００９８】
またスイッチ論理計算部１３６は、浮体振幅計測器１３８、最大振幅設定器１４４に接続されている。浮体振幅計測器１３８は、例えば高さ調整機構３１の浮体高さ測定器８４から出力される浮体高さ信号８６の最大値と最小値の差分から発電浮体２２の振幅を算出し、その値（Ｙ）をスイッチ論理計算部１３６に出力する。また最大振幅設定器１４４には予め発電浮体２２の最大許容振幅が入力され、その値（Ａ）をスイッチ論理計算部１３６に出力する。そしてスイッチ論理計算部１３６は、発電浮体２２の振幅（Ｙ）と許容最大振幅（Ａ）とを比較し、発電浮体２２の振幅（Ｙ）が許容最大振幅（Ａ）より大きいと判断した場合には、第２のスイッチ１３４（Ｓｂ１、Ｓｂ２、・・・Ｓｂｎ）が全てオンとなる信号を出力し、発電コイル１２２を全て短絡させて発電浮体２２に最大負荷を与え、発電浮体２２の振幅を抑制する。なお、このとき第１のスイッチ１３２は全てＯＦＦとなるように制御する。
【００９９】
さらにスイッチ論理計算部１３６は平均時間設定器１４０に接続されている。平均時間設定器１４０は、スイッチ論理計算部１３６が上述の制御を行なうための所定時間（Ｘ）が設けられ、所定時間（Ｘ）ごとにスイッチ論理計算部１３６を駆動させる信号をスイッチ論理計算部１３６に出力するものである。よって、スイッチ論理計算部１３６は、所定時間（Ｘ）ごとに発電浮体２２の振幅を測定するとともに、所定時間（Ｘ）ごとに発電浮体２２から得られる電力（Ｅ）を測定し、電力（Ｅ）が最大となるように発電コイル１２２の送電側に接続する個数の制御を行なうことができる。これにより、波浪エネルギーの時間的な変動に対応して負荷の大きさを調整するので、波浪から効率よく電力を取得することができる。また発電浮体２２から十分なエネルギーを得られない場合においても、効率は下がるものの一定の電力を取得することができ、波力発電装置１０の発電の歩留を高めることができる。
【０１００】
誘導起電力発生機構１２０は、多段階に設けられた発電コイル１２２と、発電コイル１２２の取り付け位置に対応して取り付けられた磁石１２４を用いることによって、磁石１２４に発電コイル１２２の厚み程度の相対運動をさせるだけで誘導起電力を発生させることができるため、波高が小さい場合でも電力を発生させることができる。そして相対運動が発電コイル１２２の複数段分に相当する振幅を持つ場合は、１周期の相対運動で誘導起電力を複数周期分発生させることができるので効率よく電力を発生させることができる。さらに誘導起電力発生機構１２０の発電浮体２２からのエネルギー吸収効率を最大にすることにより、発電浮体２２の位置エネルギーの損失を最小に抑え、発電効率を大幅に高めることが可能となる。
【０１０１】
したがって、第１実施形態に係る波力発電装置１０によれば、発電浮体２２の全体浮体１２に対する相対運動そのものから直接的に誘導起電力を発生させることができるため、波浪エネルギーから電力への変換効率を大幅に高めることができる。また発電浮体２２の固有周期を長周期側または短周期側にシフトさせることにより波浪の周期に同期させるので、広範囲の波周期に対して発電浮体の運動応答を大きくすることができ、広範囲の波周期に対して高い発電効率を得ることが可能となる。
【０１０２】
また、復元力発生機構１００の発電浮体２２に対する弾性力を大きくすると発電浮体２２の固有周期を短くすることができる。一方。質量調整機構３０を駆動させて発電浮体２２に取り込むバラスト水の量を増やすと発電浮体２２の質量が大きくなり、発電浮体２２の固有周期を長くすることができる。このため、全体浮体に対して相対運動を行なう発電浮体２２本来の固有周期が波浪の周期より短いものに設計されていても、波浪エネルギーを効果的に吸収するための周期への調整が可能となるので、簡易な構成で広範囲の波周期に対して発電浮体２２の運動応答を大きくすることができ、広範囲の波周期に対して高い発電効率を得ることが可能となる。
【０１０３】
図６に第２実施形態に係る波力発電装置２００を示す。図６（ａ）は波力発電装置の要部外略図、図６（ｂ）は波力発電装置の部分詳細図である。第２実施形態に係る波力発電装置２００の構成は基本的には第１実施形態の構成と共通するが、復元力発生機構２０２は、発電浮体２２に設けられ、前記全体浮体１２との間で高さ方向に隙間１０４を形成する第２のフランジ１０２と、隙間１０４に介装されたエアシリンダー２０４と、発電浮体２２の固有周期を前記波浪の周期に同期させるように前記エアシリンダー２０４内の気圧の調整を行う気圧調整機構２１０と、を有する点で相違する。
【０１０４】
エアシリンダー２０４は、全体浮体１２に取り付けられたシリンダー２０６と、第２のフランジ１０２に取り付けられ、シリンダー２０６の気密を保ちつつシリンダー２０６内を空間的に２つに分離するピストン２０８からなり、シリンダー２０６内に一定の気圧を有し気密が保たれた２つの内部空間２０６ａ、２０６ｂが形成される。この内部空間２０６ａ、２０６ｂは互いに空間的に分離しており、それぞれの気圧を高くするほど、エアシリンダー２０４のバネ定数に相当する物理量が増加するため、復元力発生機構２０２の復元力が増加する。
【０１０５】
気圧調整機構２１０は、シリンダー２０６の内部空間２０６ａ、２０６ｂに接続され、内部区間２０６ａ、２０６ｂにそれぞれ独立に圧縮した空気を送り込むコンプレッサー２１２と、同様に内部空間２０６ａ、２０６ｂに接続され，内部空間２０６ａ、２０６ｂの空気をリークするリークバルブ２１４とからなる。コンプレッサー２１２及びリークバルブ２１４はそれぞれ気圧調整機構２１０から出力される駆動信号が入力されて駆動する。
【０１０６】
気圧調整機構２１０は、波周期検知器６４から得られる波浪の周期信号６６に対応して、コンプレッサー２１２またはリークバルブ２１４に駆動信号を出力して内部空間２０６ａ、２０６ｂ内の気圧を調整することにより、復元力発生機構２０２の復元力を調整して発電浮体２２の周期を波浪の周期に同期させるものである。
【０１０７】
このように復元力発生機構２０２の復元力の調整は復元力発生機構２０２を構成するエアシリンダー２０４内の気圧を制御することにより行うので、簡単な構成で復元力の調整を行うことができるとともに、気圧の調整は無段階に行うことができるので、発電浮体２２の固有周期の調整を精度よく行うことができる。
【０１０８】
第２実施形態においては、復元力発生機構２０２のみならず第１実施形態と同様に質量調整機構３０及び誘導起電力発生機構１２０も有するが、復元力発生機構２０２を構成する気圧調整機構２１０は復元力発生機構２０２のバネ定数に相当する物理量を変化させることになるので、第１実施形態に係る復元力発生機構１００と同じ作用を発電浮体２２に与えることになる。よって、復元力発生機構２０２は誘導起電力発生機構１２０とは互いに独立に制御することができる。また第１実施形態と同様に復元力発生機構２０２は、波浪の周期が発電浮体２２本来の固有周期より短いときに駆動して、逆に発電浮体２２本来の固有周期より長いときは質量調整機構３０を駆動させてもよく、また両者を共に駆動させても良い。ただし第１実施形態と同様の理由により、質量調整機構３０（高さ調整機構３１）を駆動する際は、発電浮体２２の高さが初期位置に戻るまでリークバルブ２１４を開放にしておく必要がある。
【０１０９】
図７に第３実施形態に係る波力発電装置３００を示す。第３実施形態に係る波力発電装置３００は第１実施形態と原理は類似するが、発電浮体３０４は、水平方向を回転軸として全体浮体３０２にピン結合されて全体浮体３０２に対して回転する相対運動が可能とされ、誘導起電力発生機構３１０は、全体浮体３０２と発電浮体３０４に跨って形成され、前記回転する相対運動により起電力を発生させ、前記同期制御手段は、前記発電浮体に取り付けられた錘を、前記発電浮体３０４との取り付け位置を前記ピン結合位置を中心として動径方向にスライドさせることにより前記発電浮体３０４の慣性モーメントを調整する慣性モーメント調整機構３１８と、前記全体浮体３０２と前記発電浮体３０４に跨って取り付けられ、前記発電浮体３０４に弾性力を与えることにより前記回転する相対運動に復元力を与える復元モーメント発生機構３２２と、を有し、前記慣性モーメント調整機構３１８及び前記復元モーメント発生機構３２２は、前記回転する相対運動の固有周期を前記波浪の周期に同期させるように駆動する点で相違する。
【０１１０】
発電浮体３０４は、海水に浸漬する運動浮体３０６と、運動浮体３０６に取り付けられ、全体浮体３０２に回転支持ピン３０２ａによりピン結合されるアーム３０８からなる。そしてアーム３０８の中央部で全体浮体３０２にピン結合され、ピン結合の回転軸は水平方向に向いている。これにより発電浮体３０４は波浪の横方向からの力を受けて全体浮体３０２に対して回転する相対運動（スイング運動）を行い、所定の固有周期で振動することになる。
【０１１１】
誘導起電力発生機構３１０は、第１実施形態の発電コイル１２２と磁石１２４の配置を、スイング運動をする際の発電浮体３０４のアーム３０８の上端の円弧状の軌跡に倣って変形させたものである。例えば、発電コイル３１２は全体浮体３０２に所定の間隔で接続する。そしてアーム３０８の上端の円弧状に軌跡に倣って形成され、前記スイング運動において前記軌跡内を通過するように軸棒３１６を接続し、磁石３１４は軸棒３１６に所定の間隔で挿通されて軸棒３１６に接続される。または発電コイル３１２を発電浮体３０４側に接続し、磁石３１４を全体浮体３０２側に接続する構成にしても良い。いずれにしても誘導起電力発生機構３１０の制御は、第１実施形態の誘導起電力発生機構１２０と同様の制御を行なうので説明を省略する。
【０１１２】
慣性モーメント調整機構３１８は、発電浮体３０４のアーム３０８のピン結合より上の部分に設けられた錘３２０と、前記錘３２０をアーム３０８の動径方向（長手方向）にスライドさせるアクチュエータ（不図示）と、発電浮体３０４の固有周期が波浪の周期に同期するようにアクチュエータ（不図示）の駆動量を制御して発電浮体３０４の慣性モーメントを制御することにより発電浮体３０４の周期を調整する制御部（不図示）と、を有する。
【０１１３】
慣性モーメント調整機構３１８は、発電浮体３０４の固有周期を、発電浮体３０４本来の固有周期（錘３２０が無いときの固有周期）より長い周期にすることができる点において、第１実施形態の質量調整機構３０と目的を共通とする。また質量調整機構３０は発電浮体２２の質量を変化させるバラスト水６０の量を制御し、慣性モーメント調整機構３１８は発電浮体３０４の慣性モーメントを変化させる錘３２０の位置を制御する点で異なるが、慣性モーメント調整機構３１８の電気的な制御機構は質量調整機構３０と同様なので説明を省略する。
【０１１４】
復元モーメント発生機構３２２は、第１実施形態と同様に一方を全体浮体３０２に固定され、他方が発電浮体３０４に固定または固定解除可能な複数の周期調整バネ３２４と、前記複数の周期調整バネ３２４を発電浮体３０４への接続のオンオフ制御を行なう複数の固定手段（不図示）と、発電浮体３０４の固有周期を前記波浪の周期に同期させるように固定手段（不図示）の稼働数を制御する周期比較器（不図示）と、を有する。復元モーメント発生機構３２２は第１実施形態の復元力発生機構１００を基準として周期調整バネ３２４や固定手段（不図示）の取り付け位置が変化したのみである。よって復元モーメント発生機構３２２の制御方法は復元力発生機構１００と相違はないため説明を省略する。
【０１１５】
第３実施形態の波力発電装置３００によれば、発電浮体３０４が受ける水平方向からの力により発電浮体３０４が全体浮体３０２に対して振子運動を行なう構成にすることにより、波浪の水平方向の力から効果的に波浪エネルギーを吸収することが可能となる。
【０１１６】
図８に第４実施形態の波力発電装置を示す。第４実施形態の波力発電装置４００は、基本的構成は第１実施形態と類似するが、質量調整機構４０２は、発電浮体２２上に載置される複数のバラストウエイト４０４と、全体浮体１２側に取り付けられ、各バラストウエイト４０４を吊り上げ可能な複数の巻上げモータ４０６と、波浪の周期と発電浮体の周期との差分（周期差分信号６８）に基づいて巻き上げモータ４０６の駆動数を制御してバラストウエイト４０４の発電浮体２２に載置する個数を制御するシフトレジスタ４０８と、を有する点で相違する。また質量調整機構４０２は、第１実施形態の質量調整機構３０と同様に、波周期検知器６４、加算器６２、浮体固有周期計算器４０を有し、更に比較器４１０、モータ制御器４１４を有する。
【０１１７】
一定の重量を有するバラストウエイト４０４（Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗｎ、ｎ個）は複数用意され、それぞれ対応する巻き上げモータ４０６（Ｍ１、Ｍ２、・・・、Ｍｎ、ｎ個）により吊り上げられ、または発電浮体２２上に載置される。よってバラストウエイト４０４の発電浮体２２に載置する個数を増やすと発電浮体２２の質量が大きくなり、発電浮体２２の周期が長くなる。なお発電浮体２２の上端には第１実施形態と同様に第２のフランジ１０２が設けられ、バラストウエイト４０４の置き場所として利用するものとする。また巻き上げモータ４０６は、例えば第１実施形態で述べたフランジ７４に固定すればよい。
【０１１８】
このように質量調整機構４０２は、発電浮体にバラストウエイトを多く載置するほど発電浮体の固有周期を長くすることができ、またその載置する数を減らすと固有周期は短くなる。したがって簡易な構成で発電浮体の周期の調整を行うことができる。
【０１１９】
なお、質量調整機構４０２は第１実施形態の質量調整機構３０と同様に高さ調整機構を有しているが、動作は第１実施形態の高さ調整機構３１と同様なので説明を省略する。また質量調整機構４０２は第１実施形態で述べたように復元力発生機構１００と独立に制御してもよいし、互いに重み付けを与えて同時に制御してもよい。
【０１２０】
図９に本実施形態の波力発電装置の変形例を示す。いずれの実施形態においても、発電浮体２２、３０４は、図９に示すように、全体浮体１２、３０２に複数設けられ、各発電浮体２２、３０４に質量調整機構３０、４０２、復元力発生機構１００、２０２、誘導起電力発生機構１２０、３１０、がそれぞれ設けられた構成としても良い。全体浮体１２、３０２に対して、質量調整機構３０、４０２、復元力発生機構１００、２０２、誘導起電力発生機構１２０、３１０等をそれぞれ個別に備えた発電浮体２２、３０４を複数取り付けることによって大きな電力を得ることができる。さらに取り付け範囲を波浪の波長以上の範囲に分布させることにより各発電浮体２２、３０４に与えた負荷の全体浮体１２に対する反力を相殺することができるので、各発電浮体２２、３０４において効率よく発電することができる。
【０１２１】
なお各発電浮体２２、３０４において出力される誘導起電力は波浪の位相が一致しないため、互いに同期しない。よって各発電浮体２２、３０４に対応した整流回路（整流回路１２８）の入力側に接続し、整流回路の出力側を並列接続することにより、送電先に直流で電力を送る、または蓄電地（蓄電部１３０）等に蓄えることができる。
【０１２２】
図１０に円柱浮体の単位振幅の規則波中の上下運動のシミュレーション結果を、図１１に円柱浮体の単位振幅の規則波中のエネルギー吸収のシミュレーション結果を示す。本願発明者は、本実施形態における波力発電装置のエネルギー吸収について調査した。図１０に示すシミュレーションにおいては、本実施形態における発電浮体２２に相当する円柱浮体を採用し、円柱の半径を３ｍ、喫水を５ｍとした。また本実施形態で述べた発電浮体２２に作用する質量調整機構に対応して、円柱浮体にバラストを取り込む場合についてシミュレーションを行なうが、円柱浮体の質量の増加率は波浪の周期に同期するような調整は行わず、５０パーセントに固定した。またこの質量の増加に対応して円柱浮体を引き上げる吊り上げバネ８０に見立てた復元力（バネ定数）を、周期調整バネ１０６に見立てた復元力（バネ定数）の１０パーセントとした。さらに本実施形態で述べた復元力発生機構に対応して復元力を与える場合は、波浪の周期に同期するように所定の値まで変化させた。そして発電浮体において「復元力なし、バラストなし」、「復元力あり、バラストなし」、「復元力なし、バラストあり」、「復元力あり、バラストあり」とする初期振動に対して発電を行なうための負荷を与えたときのエネルギー吸収について検討した。なお、いずれの場合においても円柱浮体への負荷は、円柱浮体の造波減衰力に等しくなるように調整した。
【０１２３】
図１０に示すように、「復元力なし、（エネルギー）吸収なし、バラストなし」の場合の第１の運動特性曲線５００は円柱浮体の固有周期においてピークを有する曲線となる。また第１の運動特性曲線５００に前述の負荷を与えてエネルギー吸収を行った場合の第２の運動特性曲線５０２は第１の運動特性曲線５００の相似形で全体的に振幅が小さくなった形状を有している。
【０１２４】
次に、「復元力あり、吸収なし、バラストなし」の場合の第３の特性曲線５０４は、第１の運動特性曲線５００と比較すると、固有周期を示すピークから短波長側では、付加復元力をゼロとする円柱浮体の固有周期から、短波長側の一定の周期まで円柱浮体の固有周期を波浪の周波数に同期するように付加復元力を調整しているので、その波長範囲において第１の運動特性曲線５００よりも高い振幅応答を有する曲線となる。また第３の運動特性曲線５０４に前述の負荷を与えた場合の第４の運動特性曲線５０６は第３の運動特性曲線５０４の相似形で全体的に振幅が小さくなった形状を有している。
【０１２５】
一方、「復元力なし、吸収なし、バラストあり」の場合の第５の運動特性曲線５０８は、第１の運動特性曲線５００が示す円柱浮体の固有周期を示すピークより長波長側にピークがシフトしており、その値も大きくなっている。また第５の運動特性曲線５０８に前述の負荷を与えた場合の第６の運動特性曲線５１０は第５の運動特性曲線５０８の相似形で全体的に振幅が小さくなった形状を有している。
【０１２６】
次に、「復元力あり、吸収なし、バラストあり」の場合の第７の運動特性曲線５１２は、第５の運動特性曲線５０８と比較すると、円柱浮体に質量を与えた場合の固有周期を示すピークから短波長側では、付加復元力をゼロとしバラストを付加した円柱浮体の固有周期から、短波長側の一定の周期まで円柱浮体の固有周期を波浪の周期に同期させているので、その波長範囲において第５の運動特性曲線５０８より高い振幅応答を有する曲線となる。また第７の運動特性曲線５１２に前述の負荷を与えた場合の第８の運動特性曲線５１４は第７の運動特性曲線５１２の相似形で全体的に振幅が小さくなった形状を有している。
【０１２７】
図１１に示すように、第１の吸収特性曲線５１６は、円柱浮体の上下運動の特性曲線である第１の運動特性曲線５００に相当する吸収特性であり、第２の吸収特性曲線５１８は、第３の運動特性曲線５０４に相当する吸収特性であり、第３の吸収特性曲線５２０は、第５の運動特性曲線５０８に相当する吸収特性であり、第４の吸収特性曲線５２２は、第７の運動特性曲線５１２に相当する吸収特性である。
【０１２８】
従って、発電浮体に相当する円柱浮体に復元力及びバラストを追加して適切に制御することにより、第２の吸収特性曲線５１８と第４の吸収特性曲線５２２を合わせたエネルギー吸収が可能となる。このエネルギー吸収は、復元力やバラストを与えない元の円柱浮体の第１の吸収特性曲線５１６よりもはるかに大きいことから、円柱浮体に対して復元力とバラストを与えて適切に制御することにより、元の円柱浮体の固有周期よりも短周期側、長周期側両方で大きなエネルギー吸収が可能となることがわかる。したがって、円柱浮体の固有周期を短周期側及び長周期側にシフト可能とすることにより、円柱浮体は波浪からより多くの波浪エネルギーを吸収することができることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
波力発電浮体の固有周期を短周期側、長周期側両方に移動できる機構を有することにより、波浪エネルギーの吸収効率を高めた波力発電装置及び波力発電方法として利用できる。
【符号の説明】
【０１３０】
１０………波力発電装置、１２………全体浮体、１４………デッキ、１６………脚、１８………浮体、２０………貫通孔、２２………発電浮体、２４………運動浮体、２６………柱部、２８………ガイドシャフト、３０………質量調整機構、３１………高さ調整機構、３２………海水取入口、３４………増量用ポンプ、３６………海水排出口、３８………減量用ポンプ、４０………浮体固有周期計算器、４２………浮体固有周期信号、５０………水槽、５２………流量積算器、５４………流量積算器、５６………加算器、５８………流量差分信号、６０………バラスト水、６２………加算器、６４………波周期検知器、６６………波浪の周期信号、６８………周期差分信号、７０………比較器、７２………ポール、７４………フランジ、７６………ジャッキ、７８………アクチュエータ、８０………吊り上げバネ、８２………変位制御手段、８４………浮体高さ測定器、８６………浮体高さ信号、８８………浮体高さ設定器、９０………高さ差分信号、９２………加算器、９４………比較器、９６………正転信号、９８………逆転信号、１００………復元力発生機構、１０２………第２のフランジ、１０４………隙間、１０６………周期調整バネ、１０６ａ………一端、１０６ｂ………他端、１０８………固定手段、１１０………被固定部材、１１２………貫通孔、１１４………ガイド部材、１１８………周期比較器、１２０………誘導起電力発生機構、１２２………発電コイル、１２４………磁石、１２６………円筒部材、１２８………整流回路、１３０………蓄電部、１３２………第１のスイッチ、１３４………第２のスイッチ、１３６………スイッチ論理計算部、１３８………浮体振幅計測器、１４０………平均時間設定器、１４２………加算器、１４４………最大振幅設定器、１４６………差分信号、２００………波力発電装置、２０２………復元力発生機構、２０４………エアシリンダー、２０６………シリンダー、２０６ａ………内部空間、２０６ｂ………内部空間、２０８………ピストン、２１０………気圧調整機構、２１２………コンプレッサー、２１４………リークバルブ、３００………波力発電装置、３０２………全体浮体、３０２ａ………回転支持ピン、３０４………発電浮体、３０６………運動浮体、３０８………アーム、３１０………誘導起電力発生機構、３１２………発電コイル、３１４………磁石、３１６………軸棒、３１８………慣性モーメント調整機構、３２０………錘、３２２………復元モーメント発生機構、３２４………周期調整バネ、４００………波力発電装置、４０２………質量調整機構、４０４………バラストウエイト、４０６………巻上げモータ、４０８………シフトレジスタ、４１０………比較器、４１２………可変クロック発生器、４１４………モータ制御器、４１６………ワイヤー、４１８………シフトデータ、４２０………シフトクロック、５００………第１の運動特性曲線、５０２………第２の運動特性曲線、５０４………第３の運動特性曲線、５０６………第４の運動特性曲線、５０８………第５の運動特性曲線、５１０………第６の運動特性曲線、５１２………第７の運動特性曲線、５１４………第８の運動特性曲線、５１６………第１の吸収特性曲線、５１８………第２の吸収特性曲線、５２０………第３の吸収特性曲線、５２２………第４の吸収特性曲線。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海上での波力を駆動力とする、高効率の浮体型の波力発電装置、及び波力発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化防止のためのＣＯ２削減、化石燃料の枯渇に対応するリニューアブルエネルギーの開発は世界的に重要な課題となっている。リニューアブルエネルギーには太陽光発電、風力発電、バイオマス発電、波力発電等があるが、四方を海に囲まれた日本にとっては波のエネルギーを利用した波力発電の開発は極めて重要である。波力発電の歴史は長く、１９８０年代の石油危機を契機として石油に替わる代替エネルギーの一つとして、研究開発が活発かつ積極的に行われ、波浪エネルギー吸収方法がいろいろ考案されている（特許文献１参照）。また沿岸固定式や浮体運動利用型、浮遊型浮体空気式など実用化に向けて実海域での実験も積極的に行われているが、実用化に至っていないのが実情である。
【０００３】
波力発電装置の開発で重要なことの一つは、変動する波浪条件に対して広い波周期範囲で高い波浪エネルギー吸収効率の得られる機構を持っていることである。もう一つ重要なことは、低波高に対しても有効な発電ができ、高い稼働率を維持することである。従来の開発ではこれらの課題が充分に解決されていないことが実用化を妨げている。
【０００４】
特許文献１に見られるような従来の波力発電装置のうち、空気室を有する沿岸固定波力発電や浮体式波力発電においては、波浪エネルギーを空気の運動エネルギーに変え、この空気の運動によってタービンを回転させ、発電機で発電している。
【０００５】
しかし、この波力発電装置で高効率の発電効率を得るためには、波浪エネルギーを空気の運動エネルギーに変える一次変換効率、空気の運動エネルギーをタービンの回転運動に変える二次変換効率、及び発電機の効率を高める必要がある。また、空気室を用いないで波浪による浮体運動を利用する場合でも、浮体の上下運動を回転運動に変換後に、その回転運動により発電機を駆動させて電力を得るものであり、夫々の変換効率を高くする必要がある。これらの波力発電装置は波浪エネルギーを空気室の空気の運動エネルギーや浮体の運動に変換した後に発電機で発電するため、一次変換、二次変換するたびに変換ロスが生じ、トータルのエネルギー変換効率を高めるのに問題があった。
【０００６】
また、従来の波力発電装置では、空気室の大きさや浮体の大きさで、空気室運動及び浮体の運動の固有周期が決まることから、高い波浪エネルギー吸収効率は限られた周期の波浪に対して得られるのみであって、実海域の色々な波周期を持つ不規則波中では波浪エネルギーを充分に回収できないという問題があった。
【０００７】
このような問題を解決するため、特許文献２においては、波面に浮かべた浮動体上に重量物を弾性部材で弾性的に支持し、浮動体と重量物間に重量物の移動に対し減衰力を生じさせ、かつその移動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電手段を設け、弾性部材の不減衰固有振動数が浮動体を加振する波の振動数と互いに振動数比ω／ω０の所定範囲内で近くなるように弾性部材のばね定数を設定し、弾性部材と波との共振現象を利用するようにした波力発電装置が開示されている。このように浮動体が共振する振動数を波の振動数に近づけることにより波の周波数が変動した場合でも波のエネルギーを効率よく吸収することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２９１９８８１号公報
【特許文献２】特願２００５−５１４９３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献２に係る発明においては浮動体に弾性部材を付加するので、浮動体の振動数を、浮動体の固有の振動数よりも高くすることは可能であるが、逆に低くすることはできない。したがって波力発電装置を構成する浮動体は用いられる波浪条件に応じて設計変更をしなければならず、コストがかかるといった問題があった。
【００１０】
さらに、従来の波力発電装置では、設計入射波で諸要素が設計されているため、低い波高では発電機の初期負荷が大きいため発電に至らず、稼働率が低くなるという問題があった。
そこで、本発明は上記問題点に着目し、エネルギー変換におけるエネルギー損失を低減し、かつ不規則波においても波浪エネルギーを充分に変換可能な波力発電装置、及び波力発電方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明に係る波力発電装置は、第１には、海面上に設置された全体浮体と、前記海面上の波浪を受けて前記全体浮体に対して所定の固有周期で相対運動が可能な発電浮体（前記浮動体に相当）と、前記全体浮体と前記発電浮体に跨って取り付けられ、前記相対運動により誘導起電力を発生する誘導起電力発生機構と、前記波浪の周期を測定し、前記固有周期を長周期側または短周期側にシフトさせることにより前記波浪の周期に同期させる同期制御手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
上記構成により、発電浮体の全体浮体に対する相対運動そのものから直接的に誘導起電力を発生させることができるため、波浪エネルギーから電力への変換効率を大幅に高めることができる。また発電浮体の固有周期を長周期側または短周期側にシフトさせることにより波浪の周期に同期させるので、広範囲の波周期に対して発電浮体の運動応答を大きくすることができ、広範囲の波周期に対して高い発電効率を得ることが可能な波力発電装置となる。
【００１３】
第２には、前記同期制御手段は、前記発電浮体に取り付けられ、前記発電浮体に取り込むバラストの量を調整することにより前記発電浮体の質量を調整する質量調整機構と、前記全体浮体と前記発電浮体に跨って取り付けられ、前記発電浮体に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与える復元力発生機構と、を有し、前記質量調整機構及び前記復元力調整機構は、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように駆動することを特徴とする。
【００１４】
上記構成により、復元力発生機構の発電浮体に対する復元力を大きくすると発電浮体の固有周期を短くすることができる。一方。質量調整機構を駆動させて発電浮体の発電浮体に取り込むバラストの量を増やすと質量が大きくなり、発電浮体の固有周期を長くすることができる。このため、全体浮体に対して相対運動を行なう発電浮体本来の固有周期が波浪の周期より短いものに設計されていても、波浪エネルギーを効果的に吸収するための周期への調整が可能となるので、簡易な構成で広範囲の波周期に対して発電浮体の運動応答を大きくすることができ、広範囲の波周期に対して高い発電効率を得ることが可能な波力発電装置となる。
【００１５】
第３には、前記質量調整機構は、前記発電浮体にバラスト水を取り込む増量用ポンプと、前記発電浮体に取り込まれたバラスト水を外部に排出する減量用ポンプと、前記波浪の周期と前記発電浮体の周期との差分に基づいて前記増量用ポンプ及び前記減量用ポンプのいずれか一方を駆動させる比較器と、を有することを特徴とする。
【００１６】
上記構成により、前記発電浮体にバラスト水を取り込む増量用ポンプと、前記発電浮体に取り込まれたバラスト水を外部に排出する減量用ポンプと、により発電浮体に取り込むバラスト水の出し入れを容易に行い、これに基づいて発電浮体の質量の調整を容易に行うことができる。
【００１７】
第４には、前記質量調整機構は、前記全体浮体に固定され前記発電浮体を吊り上げるジャッキと、前記ジャッキと前記発電浮体との間に介装され、弾性力により前記発電浮体を吊り上げる吊り上げバネと、前記質量調整機構の駆動に対応して前記発電浮体の初期位置を維持するように前記ジャッキの駆動量を調整する変位制御手段と、を有することを特徴とする。
【００１８】
上記構成により、発電浮体の初期位置を常に維持することができるので、波力発電装置において発電浮体の固有周期以外の特性の変動を抑制して効率的に発電を行なうことができる。
【００１９】
第５には、前記質量調整機構は、前記発電浮体上に載置される複数のバラストウエイトと、前記全体浮体側に取り付けられ、各バラストウエイトを吊り上げ可能な複数の巻上げモータと、前記波浪の周期と前記発電浮体の周期との差分に基づいて前記巻き上げモータの駆動数を制御して前記バラストウエイトの前記発電浮体に載置する個数を制御するシフトレジスタと、を有することを特徴とする。
【００２０】
上記構成により、発電浮体にバラストウエイトを載置することにより発電浮体の固有周期を長くすることができる。またその載置する数を調整することにより、その長波長側への変化量を調整することができる。したがって簡易な構成で発電浮体の周期の調整を行うことができる。
【００２１】
第６には、前記復元力発生機構は、前記全体浮体及び前記発電浮体に接続され、前記発電浮体の振幅方向に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与える複数の周期調整バネと、前記周期調整バネと前記全体浮体との間及び前記周期調整バネと前記発電浮体との間のいずれか一方に介装され、前記周期調整バネの前記全体浮体及び前記発電浮体のいずれか一方との接続及び解除が可能な固定手段と、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように各固定手段のオンオフ制御を行う周期比較器と、を有することを特徴とする。
【００２２】
上記構成により、発電浮体に復元力を与える周期調整バネと、前記復元力のオンオフ切り替えを行う固定手段により、復元力発生機構全体のバネ定数に相当する物理量を変化させることができる。よって復元力発生機構の復元力の調整は、復元力発生機構のバネ定数に相当する物理量を制御することにより行うことになるので、簡単な構成で復元力の調整を行うことができる。
【００２３】
第７には、前記復元力発生機構は、前記全体浮体及び前記発電浮体に接続され、前記発電浮体の振幅方向に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与えるエアシリンダーと、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように前記エアシリンダー内の気圧を調整することにより前記発電浮体への復元力を調整する気圧調整機構と、を有することを特徴とする。
【００２４】
上記構成により、復元力発生機構の復元力の調整は復元力発生機構を構成するエアシリンダー内の気圧を制御することにより行うので、簡単な構成で復元力の調整を行うことができるとともに、気圧の調整は無段階に行うことができるので、発電浮体の固有周期の調整を精度よく行うことができる。
【００２５】
第８には、前記誘導起電力発生機構は、前記全体浮体に取り付けられ、前記発電浮体を挿通するとともに前記相対運動の方向に並べて取り付けられた複数の発電コイルと、前記発電浮体に取り付けられ、前記複数の発電コイルを挿通するとともに各発電コイルの取り付け間隔に対応して取り付けられ前記複数の発電コイルに誘導起電力を発生させる複数の磁石と、前記発電浮体から得られる電力が最大となるように前記複数の発電コイルのうち送電側に接続する発電コイルの個数の制御を行なうスイッチ論理計算部と、を有することを特徴とする。
【００２６】
上記構成により、誘導起電力発生機構は、多段階に設けられた発電コイルと、発電コイルの取り付け位置に対応して取り付けられた磁石を用いる。よって、磁石に発電コイルの厚み程度の相対運動をさせるだけで誘導起電力を発生させることができるため、波高が小さい場合でも電力を発生させることができる。そして相対運動が発電コイルの複数段分に相当する振幅を持つ場合は、１周期の相対運動で誘導起電力を複数段分発生させることができるので効率よく電力を発生させることができる。さらに誘導起電力発生機構の発電浮体からのエネルギー吸収効率を最大にすることにより、発電浮体の位置エネルギーの損失を最小に抑え、発電効率を大幅に高めることが可能な波力発電装置となる。
【００２７】
第９には、前記スイッチ論理計算部は、前記発電浮体の振幅が所定の値以上であるときに前記複数の発電コイルを全て送電側に接続する制御を行い、前記発電浮体にかかる負荷を最大にし、前記相対運動に制動をかけることを特徴とする。
上記構成により、波浪が所定の振幅を超えた場合に、負荷が最大となるように制御するため、発電浮体の振幅を抑えて発電浮体の破損を防止することができる。
【００２８】
第１０には、前記スイッチ論理計算部は、所定時間ごとに前記発電浮体から得られる電力を測定し、前記電力が最大となるように前記発電コイルの送電側に接続する個数の制御を行なうことを特徴とする。
上記構成により、波浪エネルギーの時間的な変動に対応して負荷の大きさを調整するので、波浪から効率よく電力を取得することができる。
【００２９】
第１１には、前記発電浮体は、海面下で前記相対運動を行う運動浮体と、前記浮体部の上部に取り付けられ、鉛直方向に伸びて海面上に露出するとともに、前記露出した位置に前記誘導起電力発生機構が取り付けられた柱部と、からなることを特徴とする。
【００３０】
上記構成により、海面に露出した柱部の断面積を小さくすることが可能である、よってこの断面積を小さくすることにより波浪による影響を小さくして発電浮体の固有周期を容易に制御することができる。
【００３１】
第１２には、前記発電浮体は、水平方向を回転軸として前記全体浮体にピン結合されて前記全体浮体に対して所定の固有周期で振子運動が可能とされ、前記誘導起電力発生機構は、前記全体浮体と前記発電浮体に跨って形成され、前記振子運動により起電力を発生させ、前記同期制御手段は、前記発電浮体に取り付けられたウエイトを前記発電浮体の動径方向にスライドさせることにより前記発電浮体の慣性モーメントを調整する慣性モーメント調整機構と、前記全体浮体と前記発電浮体に跨って取り付けられ、前記振子運動の方向から前記発電浮体に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与える復元モーメント発生機構と、を有し、前記慣性モーメント調整機構及び前記復元モーメント発生機構は、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように駆動することを特徴とする。
【００３２】
上記構成により、発電浮体が受ける水平方向からの力により発電浮体が全体浮体に対して振子運動を行なう構成にすることにより、水平方向の力が大きい波浪から効果的に波浪エネルギーを吸収することが可能な波力発電装置となる。
【００３３】
第１３には、前記発電浮体は、前記全体浮体に複数設けられ、各発電浮体に前記誘導起電力発生機構、前記同期制御手段がそれぞれ設けられたことを特徴とする。
上記構成により、全体浮体に対して、誘導起電力発生機構、及び同期制御手段を個別に備えた発電浮体を複数取り付けることによって大きな電力を得ることができる。さらに取り付け範囲を波浪の波長以上の範囲に分布させることにより、各発電浮体に与えた負荷の全体浮体に対する反力を相殺することができるので、各発電浮体において効率よく発電することができる。
【００３４】
一方、本発明に係る波力発電方法は、海面上に設置された全体浮体と、前記海面上の波浪を受けて振幅する発電浮体と、の相対運動により誘導起電力を発生させるとともに、前記発電浮体の固有周期を長周期側または短周期側にシフトさせることにより前記波浪の周期に同期させることを特徴とする。
【００３５】
上記方法により、発電浮体の全体浮体に対する相対運動そのものから直接的に誘導起電力を発生させることができるため、波浪エネルギーから電力への変換効率を大幅に高めることができる。また発電浮体の固有周期を長周期側または短周期側にシフトさせることにより波浪の周期に同期させるので、広範囲の波周期に対して発電浮体の運動応答を大きくすることができ、広範囲の波周期に対して高い発電効率を得ることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明に係る波力発電装置及び波力発電方法によれば、発電浮体の全体浮体に対する相対運動そのものから直接的に誘導起電力を発生させることができるため、波浪エネルギーから電力への変換効率を大幅に高めることができる。また発電浮体の固有周期を波浪の周期に同期させるので、広範囲の波周期に対して発電浮体の運動応答を大きくすることができ、広範囲の波周期に対して高い発電効率を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１実施形態に係る波力発電装置の模式図である。
【図２】第１実施形態に係る質量調整機構の制御ブロック図である。
【図３】第１実施形態に係る高さ調整機構の制御ブロック図である。
【図４】第１実施形態に係る復元力発生機構の動作及び制御ブロックの模式図である。
【図５】第１実施形態に係る誘導起電力発生機構の制御ブロック図である。
【図６】第２実施形態に係る波力発電装置の模式図である。
【図７】第３実施形態に係る波力発電装置の模式図である。
【図８】第４実施形態に係る波力発電装置の模式図である。
【図９】本実施形態の変形例を示す模式図である。
【図１０】円柱浮体の上下運動のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】円柱浮体のエネルギー吸収のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００３９】
図１に第１実施形態に係る波力発電装置１０の模式図を示す。第１実施形態に係る波力発電装置１０は、海面上に設置された全体浮体１２と、前記海面上の波浪を受けて前記全体浮体１２に対して所定の固有周期で相対運動が可能な発電浮体２２と、前記全体浮体１２と前記発電浮体２２に跨って取り付けられ、前記相対運動により誘導起電力を発生する誘導起電力発生機構１２０と、前記波浪の周期を測定し、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させる同期制御手段と、を有するものである。
【００４０】
前記同期制御手段は、前記発電浮体２２に取り付けられ、前記発電浮体２２に取り込むバラスト（第１実施形態ではバラスト水６０）の量を調整することにより前記発電浮体２２の質量を調整する質量調整機構３０と、前記全体浮体１２と前記発電浮体２２に跨って取り付けられ、前記発電浮体２２に弾性力を与えることにより前記発電浮体２２に復元力を与える復元力発生機構１００と、を有し、前記質量調整機構３０及び前記復元力調整機構１００は、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように駆動するものである。
【００４１】
質量調整機構３０は、詳細は後述するが発電浮体２２からバラスト水６０の出し入れを行なうことにより発電浮体２２の質量を調整するものである。さらに質量の調整により発電浮体２２の初期位置（発電浮体２２が振動していないときの高さ、または振動しているときの平均の高さ）が変動するが、その変動分を高さ調整機構３１を構成するジャッキ７６により補正し初期位置を維持する構成を有している。
【００４２】
まず、第１実施形態の波力発電装置１０の構成を詳細に説明する前に、波力発電装置１０の動作について簡単に説明する。本実施形態に係る波力発電装置１０において、発電浮体２２にバラスト水６０がない場合には、発電浮体２２本来の固有周期で振動することになる。そして復元力発生機構１００（周期調整バネ１０６）により発電浮体２２に復元力を与えると、発電浮体２２の固有周期は短くなる。
【００４３】
一方、質量調整機構３０によりバラスト水６０を導入することにより発電浮体２２の質量が大きくなり、発電浮体２２の固有周期は長くなる。このとき発電浮体２２の初期位置が変位（低下）するため、この変位量に応じてジャッキ７６の駆動量を調整し、吊り上げバネ８０により発電浮体２２を引き上げて初期位置の変動を抑制している。これにより波力発電装置１０において発電浮体２２の固有周期以外の特性の変動を抑制して効率的に発電を行なうことができる。
【００４４】
また誘導起電力発生機構１２０は、発電浮体２２の相対運動から誘導起電力を発生させるとともに、負荷を発電浮体２２に与える。この負荷を発電浮体２２の造波減衰力と等しくなるように制御した場合において後述の理由により発電浮体２２から最も効率的に電力を抽出することができる。
【００４５】
したがって、波力発電装置１０を用いた波力発電方法は、海面上に設置された全体浮体１２と、前記海面上の波浪を受けて振幅する発電浮体２２と、の相対運動により（誘導起電力発生機構１２０を用いて）誘導起電力を発生させるとともに、前記発電浮体２２の固有周期を前記波浪の周期に同期させるものである。
【００４６】
また、前記固有周期の前記波浪の周期への同期は、（質量調整機構３０を用いて）前記発電浮体２２に取り込むバラスト（バラスト水６０）の量を調整する、及び／もしくは、（復元力発生機構１００を用いて）前記発電浮体２２の振幅の方向に与える弾性力を調整する、ことにより行なうものである。
【００４７】
さらに、前記波浪の波高に合わせて（誘導起電力発生機構１２０を用いて）前記発電浮体２２の前記波浪からの吸収エネルギーを前記固有周期から算出し、発電に起因する前記発電浮体２２への負荷を調整するものである。
【００４８】
このように質量調整機構３０及び復元力発生機構１００を用いて発電浮体２２の相対運動の周期を波浪の周期に同期するように制御する一方、誘導起電力発生機構１２０は質量調整機構３０及び復元力発生機構１００とは独立に制御できるが、これは以下の理由による。
【００４９】
いま、海面上を進行する波浪が単一の周波数ωで振動しているものとする。この場合、発電浮体の鉛直方向の変位ξに関する運動方程式は以下のようになる。
【数１】
【００５０】
ここで、Ｍは発電浮体の質量、ｍ１は発電浮体の付加質量、Ｎは発電浮体の造波減衰力、ｃは発電浮体の固有の復元力の係数、ｄは発電に起因する発電浮体への負荷、ｍ２は外部から発電浮体に付加する質量（バラスト）、ｋは外部から発電浮体に与える復元力の係数（バネ定数）、Ｆｗは波浪強制力である。またＮ、ｍ１、Ｆｗはωに依存する物理量である。
【００５１】
このような規則波における単位幅あたりの波のパワーＥｗは以下のようになる。
【数２】
【００５２】
ここで、ρは海水密度、ｇは重力加速度、Ｈは波高である。一方、発電浮体が吸収できるパワーＥ１は以下のようになる。
【数３】
【００５３】
数式３に数式１を代入することによって吸収効率ηは以下で求められる。
【数４】
【００５４】
ここで、吸収効率ηは、以下の条件のとき最大となる。
【数５】
【数６】
ここで負荷ｄは数式３に示すように吸収パワーと関連しており、発電に寄与するコイルの数を変化させることにより負荷ｄも変更できる。すなわち、発電出力を小さくすればｄも小さくなり、逆に大きくすればｄも大きくなる。
【００５５】
したがって、発電浮体から最大の電力を得るためには、数式５の関係を満たすように、外部からの復元力の係数ｋ（バネ定数）と付加する質量ｍ２（バラスト）を調整して発電浮体の上下動を波浪の周期に同期させ、かつ発電に起因する負荷ｄが、発電浮体の造波減衰力Ｎと等しくなることが条件であることがわかる。さらに数式４、数式５から、復元力の係数ｋ（バネ定数）と負荷ｄは、ωに依存するものの、互いに独立に制御可能であるから、質量調整機構３０（付加する質量（バラスト）ｍ２を制御）、復元力発生機構１００（復元力の係数ｋ（バネ定数）を制御）及び誘導起電力発生機構１２０（負荷ｄを制御）は、互いに独立に制御可能であることがわかる。
【００５６】
なお、実際の波浪の周期は単一の周期ではなく、様々な周期の波の重ね合わせにより形成されたものである。すなわち、波浪を周期方向で見るとデルタ関数的なスペクトルではなく、周期方向に広がったスペクトルを有している。ただし、波浪スペクトルは明確なピーク周期をもつスペクトルであるので、発電浮体２２の固有周期を波浪の周期に同期させるとは、発電浮体２２の固有周期を波浪スペクトルのピーク周期に合わせることを意味する。
【００５７】
以下、各構成要件について詳細に説明する。
全体浮体１２は、海面上に設置された浮体であって、チェーン等（不図示）で陸地や海底に係留されている。全体浮体１２は、中心に貫通孔２０を有する平板状のデッキ１４と、デッキ１４下面の所定位置に取り付けられ鉛直下方に伸びる複数の脚１６と、脚１６の下端に取り付けられ浮力を発生させる浮体１８とを有する。浮体１８は、デッキ１４が海上に浮いた状態になる程度の浮力があることが望ましく、このとき脚１６の適当な位置が海面と高さ方向で重なることになる。このように全体浮体１２を半没水型とすることにより波に対して揺れにくくすることができる。なお脚１６と脚１６の下端に取り付けられた浮体１８は同じ断面を有し、一つの円柱もしくは角柱を形成してもよい。
【００５８】
また全体浮体１２は、海面上に浮かせつつ陸地に固定して、波に対して揺れないようにしても良い。さらに脚１６を海底にまで伸ばして固定することにより、全体浮体を固定しても良い。
【００５９】
発電浮体２２は、全体浮体１２に取り付けられ、波力を受けて全体浮体１２との間で鉛直方向に相対運動するものである。発電浮体２２は、海面下で前記相対運動を行う運動浮体２４と、前記運動浮体２４の上部に取り付けられ、前記運動浮体２４より細身で鉛直方向に伸びて海面上に露出した柱部２６と、を有し、全体としてフーティング・カラム型の浮体形状を有している。このような形状を有することにより、海面に露出した柱部の断面積を小さくすることが可能である、よってこの断面積を小さくすることにより波浪による影響を小さくして発電浮体２２の固有周期を容易に制御することができる。
【００６０】
柱部２６は円筒形の形状を有し、デッキ１４の貫通孔２０を貫通し、その上端がデッキ１４より所定の高さ位置だけ露出している。一方、運動浮体２４は少なくとも貫通孔２０の直径より大きな寸法を有している。柱部２６の上端には、復元力発生機構を構成し少なくとも貫通孔２０より大きな直径を有する後述の第２のフランジ１０２が取り付けられ、第２のフランジ１０２と運動浮体２４とを複数のガイドシャフト２８で接続している。このためデッキ１４の所定位置には各ガイドシャフト２８を鉛直方向に挿通するガイド孔１４ａが複数形成されている。このように発電浮体２２に第２のフランジ１０２を取り付けることによって、発電浮体２２が全体浮体１２から外れることはなく、また上述のようにガイドシャフト２８を接続することにより、発電浮体２２は全体浮体１２に対して１方向（鉛直方向）のみに相対運動を行うことができる。
【００６１】
発電浮体２２は、固有の復元力を有するため、波を受けると固有の周期で鉛直方向に振動する。発電浮体２２は中立時及び振動時において、細身の柱部２６の所定位置に海面が来るように運動浮体２４の浮力を調整する。浮力の調整は運動浮体２４の内部に海水等の錘を充填することによって行う。このように、水線面の小さい柱部２６の範囲に波の変位（水面）が来るようにすることで、発電浮体２２を鉛直方向以外の方向に揺れにくくし、固有の周期による振動を得やすくするとともに、後述の復元力発生機構による固有周期の制御が容易となる。発電浮体２２の固有周期は、柱部２６及び運動浮体２４の質量や大きさ、上述の水線面の断面積、運動浮体２４に設けられた錘の重さ等に依存する。また発電浮体２２の固有周期が一度設計されてしまうと、波浪の周期が固有周期から離れた場合に、発電浮体２２は充分に波浪エネルギーを吸収できなくなる。そこで後述の質量調整機構３０、復元力発生機構１００により固有周期の調整を行う。
【００６２】
図２に本実施形態のバラスト水による質量調整機構の制御ブロック図を示す。質量調整機構３０は、発電浮体２２の質量を調整して発電浮体２２の固有周期を調整するものであるが、特に発電浮体２２の固有周期を発電浮体２２本来の固有周期より長くするときに用いられる。
【００６３】
質量調整機構３０は、発電浮体２２に形成された海水取入口３２からバラスト水６０を発電浮体２２内に取り込む増量用ポンプ３４と、発電浮体２２内に取り込まれたバラスト水６０を発電浮体２２に形成された海水排出口３６から排出する減量用ポンプ３８と、発電浮体２２に残留するバラスト水６０の量から発電浮体２２の固有周期を算出する浮体固有周期計算器４０と、波浪の周期と前記固有周期の差分に基づいた周期差分信号６８を出力する加算器６２と、周期差分信号６８に基づいて前記増量用ポンプ３４及び前記減量用ポンプ３８のいずれか一方を駆動させる比較器７０と、を有する。
【００６４】
また質量調整機構３０は、発電浮体２２中にバラスト水６０を貯水する水槽５０、増量用ポンプ３４の流量を積算する流量積算器５２、減量用ポンプ３８の流量を積算する流量積算器５４、流量積算器５２、５４が出力する積算量の差分を算出して流量差分信号５８を浮体固有周期計算器４０に出力する加算器５６、を有する。
【００６５】
よって浮体固有周期計算器４０は流量差分信号５８に基づいて水槽５０に残留するバラスト水６０の量を算出し、このバラスト水６０の量と発電浮体２２本来の質量や固有周期により、現在の発電浮体２２の固有周期を算出し、浮体固有周期信号４２を加算器６２に出力する。
【００６６】
加算器６２は海面上に配置された波周期検知器６４から出力された波浪の周期信号６６と浮体固有周期信号４２を入力し、両者の差分すなわち大小関係を示す周期差分信号６８（ａ）を比較器７０に出力するものである。
【００６７】
比較器７０は周期差分信号６８に基づいて、増量用ポンプ３４及び減量用ポンプ３８のいずれか一方を駆動させるものである。ここで、周期差分信号６８が正（ａ＞０）の場合、すなわち発電浮体２２の固有周期が波浪の周期より短い場合は増量用ポンプ３４を駆動させ、周期差分信号６８が負（ａ＞０）の場合、すなわち発電浮体２２の固有周期が波浪の周期より長い場合は減量用ポンプ３８を駆動させる。
【００６８】
ここで、上述の浮体固有周期信号４２、流量差分信号５８、波浪の周期信号６６、周期差分信号６８は常時出力されるため、発電浮体２２の固有周期は所定の時定数で波浪の周期に収束する。しかし波浪の周期が、バラスト水６０が水槽５０に完全に満たされたときの発電浮体２２の周期より長い場合は、バラスト水６０が水槽５０に完全に満たされた状態を維持することになる。また逆に波浪の周期が、水槽５０のバラスト水６０が空になったときの発電浮体２２本来の周期より短い場合は、水槽５０のバラスト水６０が空になった状態を維持することになる。
【００６９】
このように、発電浮体２２にバラスト水６０を取り込む増量用ポンプ３４と、発電浮体２２に取り込まれたバラスト水６０を外部に排出する減量用ポンプ３８と、により発電浮体２２に取り込むバラスト水６０の出し入れを容易に行い、これに基づいて発電浮体２２の質量の調整を容易に行うことができる。
【００７０】
図３に本実施形態に係る高さ調整機構の制御ブロック図を示す。高さ調整機構３１は質量調整機構３０に属するものであり、質量調整機構３０の駆動に伴って駆動するものである。高さ調整機構３１は、前記全体浮体１２に固定されたポール７２と、前記ポール７２に支持され前記発電浮体２２の上方を覆うように配置されたフランジ７４と、前記フランジ７４と前記ポール７２との間に介装され、前記フランジ７４の高さを調整するジャッキ７６と、前記フランジ７４と前記発電浮体２２とを接続する吊り上げバネ８０と、前記質量調整機構３０の駆動に対応して前記発電浮体２２の初期位置を維持するように前記ジャッキ７６の駆動量を調整する変位制御手段８２と、を有する。
【００７１】
ポール７２は、全体浮体１２を構成するデッキ１４上に鉛直方向に延びた状態で接続されている。ジャッキ７６はポール７２の先端に接続され、後述の変位制御手段８２に基づいてその上面の高さが制御される。ここでポール７２、ジャッキ７６は複数用いられているが、ジャッキ７６の上面の高さはデッキ１４を基準として全て同じになるように設計されている。フランジ７４はジャッキ７６の上面に取り付けられ、下面には発電浮体２２と接続する吊り上げバネ８０が接続されている。
【００７２】
吊り上げバネ８０は、前述の第２のフランジ１０２に接続しているが発電浮体２２全体を引き上げる目的を有するものである。ここで、吊り上げバネ８０のバネ定数は後述の周期調整バネのバネ定数より小さいことが望ましい。これにより吊り上げバネ８０の発電浮体２２の引き上げにより復元力発生機構への影響を小さくすることができる。
【００７３】
変位制御手段８２は、発電浮体２２の高さと初期位置との大小関係を算出し、ジャッキ７６に付属するアクチュエータ７８に正転（上昇）信号、または逆転（下降）信号を出力するものである。
【００７４】
変位制御手段８２は、発電浮体２２の高さを測定して浮体高さ信号８６を出力する浮体高さ測定器８４と、発電浮体２２の初期位置が入力された浮体高さ設定器８８と、浮体高さ測定器８４から入力される発電浮体２２の高さと、浮体高さ設定器８８から入力される発電浮体２２の初期位置との差分に基づいた高さ差分信号９０を出力する加算器９２と、高さ差分信号９０に基づいてジャッキ７６に付属するアクチュエータ７８に正転（上昇）信号９６及び逆転（下降）信号９８のいずれか一方を出力する比較器９４と、を有する。
【００７５】
浮体高さ測定器８４は、例えば発電浮体２２にレーザー光を照射してその反射光が戻るまでの時間を用いて発電浮体２２の高さを算出して浮体高さ信号８６を出力するものである。ここで発電浮体２２が波浪により高さ方向に振動している場合は、発電浮体２２の高さの平均値を算出するものとする。浮体高さ信号８６、高さ差分信号９０は質量調整機構３０が駆動する限り常時出力されるので、発電浮体２２の高さは所定の時定数で初期位置に収束する。なお浮体高さ測定器８４は、これ以外にも、後述の磁石１２４から得られる磁力をモニターしてその変化から発電浮体２２の高さを算出するようにしても良い。
【００７６】
このように、発電浮体２２の質量を調整しても発電浮体２２の初期位置を常に維持することができるので、波力発電装置１０において発電浮体２２の固有周期以外の特性の変動を抑制して効率的に発電を行なうことができる。
【００７７】
図４に第１実施形態に係る復元力発生機構の動作及び制御ブロックを示す模式図を示す。図４（ａ）は周期調整バネ１０６の圧縮時、図４（ｂ）は周期調整バネ１０６の伸長時を示す。復元力発生機構１００は、発電浮体２２に機械的な弾性力を与えて、発電浮体２２の復元力を制御することにより、発電浮体２２の固有周期を所定の周期に調整するものである。ここで復元力発生機構１００が発電浮体２２に与える弾性力の方向は発電浮体２２の運動方向（鉛直方向）と平行で、かつ同相であるので、復元力発生機構１００が発電浮体２２に弾性力を与えることにより発電浮体２２の復元力は増加し、これにより発電浮体２２の周期が短くなる。
【００７８】
復元力発生機構１００は、発電浮体２２に設けられ、全体浮体１２との間で高さ方向に隙間１０４を形成する第２のフランジ１０２と、隙間１０４に介装された複数の周期調整バネ１０６と、第２のフランジ１０２において、第２のフランジ１０２に接続された各周期調整バネ１０６の位置に対応して形成され、前記各周期調整バネ１０６の一端１０６ａにそれぞれ接続し、前記一端１０６ａを前記第２のフランジ１０２に固定または前記第２のフランジ１０２から開放可能な複数の固定手段１０８と、発電浮体２２の固有周期を前記波浪の周期に同期させるように各固定手段１０８のオンオフ制御を行う周期比較器１１８と、を有する。
【００７９】
第２のフランジ１０２は、平面視して円形形状を有し、その中心と柱部２６の上端とが接続している。周期調整バネ１０６及び固定手段１０８は、第２のフランジ１０２の中心、すなわち柱部２６の軸心に対して中心対称性を有するように複数設けられている。図１では、簡単のため周期調整バネ１０６及び固定手段１０８はそれぞれ２つ記載している。また各周期調整バネ１０６は同一の寸法で同一のバネ定数を有するものが望ましい。
【００８０】
固定手段１０８は、各周期調整バネ１０６の一端１０６ａを第２のフランジ１０２に固定し、またはその固定を解除する電磁クラッチ構造を有するものである。固定手段１０８は、周期調整バネ１０６の一端１０６ａに取り付けられた被固定部材１１０と、第２のフランジ１０２に形成され周期調整バネ１０６を挿通する貫通孔１１２と、同様に第２のフランジ１０２に固定され貫通孔１１２の上部及び下部にはみ出るように貫通孔１１２内壁に取り付けられ、被固定部材１１０（周期調整バネ１０６）の振動方向を鉛直方向に定めるとともに周期比較器１１８から入力される駆動信号により被固定部材１１０を鉛直方向の所定位置に固定するガイド部材１１４と、を有する。なお被固定部材１１０の形状は円形でも矩形でもよく、これに対応してガイド部材１１４の内壁も被固定部材１１０の外形に倣った形状としてもよい。
【００８１】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、左側の被固定部材１１０のみがガイド部材１１４に固定された場合、左側の被固定部材１１０に固定された周期調整バネ１０６は発電浮体２２の相対運動により圧縮応力または引張応力を受けるとともに、発電浮体２２に対して弾性力を与えることになり、発電浮体２２の復元力が増加する。一方、右側の被固定部材１１０がガイド部材１１４に固定されていないので、右側の被固定部材１１０に接続する周期調整バネ１０６は自然長を維持しつつガイド部材１１４に対して鉛直方向にスライドすることになり、発電浮体２２に対して弾性力は与えないことになる。
【００８２】
上述のように周期調整バネ１０６及び固定手段１０８は複数配設されている。よって波力発電装置１０において、発電浮体２２の全体浮体１２に対する相対運動の周期は、発電浮体２２の固有の周期、周期調整バネ１０６の周期（バネ定数）、第２のフランジ１０２に固定された周期調整バネ１０６の個数によって決定される。したがって、相対運動の周期の波浪の周期への同期は、第２のフランジ１０２に固定された周期調整バネ１０６の個数を固定手段１０８を介した制御により行うことができる。特に発電浮体２２に復元力を与える周期調整バネ１０６の個数を増やすと復元力発生機構１００全体のバネ定数に相当する物理量が増加するため相対運動の固有周期は短くなる。よって波力発電装置１０の同期可能な周期の範囲を広げるためには発電浮体２２の固有の周期を長くし、かつ周期調整バネ１０６（固定手段１０８）の個数を増やす必要がある。
【００８３】
周期比較器１１８は、発電浮体２２の固有周期を波周期検知器６４から入力される波浪の周期信号６６に同期させるように第２のフランジ１０２に固定する周期調整バネ１０６の個数を制御するものである。周期比較器１１８は、周期調整バネ１０６への固定数を制御することにより発電浮体２２の固有周期を離散的に変化させることができる。
【００８４】
周期比較器１１８は、例えば周期調整バネ１０６の個数がｎ個ある場合に、周期調整バネ１０６の固定を全て解除した場合からｎ個全て固定した場合までの互いに異なる固有周期となる全ての組み合わせ（Ｔ１、Ｔ２、・・・Ｔｋ）についての情報を有し、入力された波浪の周期信号６６に最も近い固有周期となる組み合わせを選択し、その組み合わせに係る周期調整バネ１０６を第２のフランジ１０２に固定するように対応する固定手段１０８に駆動信号を出力する。
【００８５】
ここで各組み合わせ（Ｔ１、Ｔ２、・・・Ｔｋ）に従って接続される周期調整バネ１０６は、発電浮体２２の柱部２６を中心として中心対称となるように割り当てることが望ましい。これにより周期調整バネ１０６から発電浮体２２に対して鉛直方向以外の方向への力が及ぶことを抑制して発電浮体２２の発電効率の低下を防止することができる。
【００８６】
復元力発生機構１００において、波浪の周期がすべての周期調整バネ１０６を第２のフランジ１０２に接続したときの発電浮体２２の固有周期より短い場合は、すべての周期調整バネ１０６を第２のフランジ１０２に固定した状態を維持することになる。また逆に波浪の周期が周期調整バネ１０６を全て第２のフランジ１０２から切り離したときの発電浮体２２の固有周期より長い場合は、周期調整バネ１０６を全て第２のフランジ１０２から切り離した状態を維持することになる。
【００８７】
このように復元力発生機構１００は、発電浮体２２に復元力を与える周期調整バネ１０６と、復元力のオンオフ切り替えを行う固定手段１０８により、復元力発生機構１００全体のバネ定数に相当する物理量を変化させることができる。よって復元力発生機構１００の復元力の調整は、復元力発生機構１００のバネ定数に相当する物理量を制御することにより行うことになるので、簡単な構成で復元力の調整を行うことができる。なお復元力発生機構１００において、周期調整バネ１０６は、全体浮体１２のデッキ１４に接続された形となっているが、全体浮体１２側に接続されたフランジ７４に周期調整バネ１０６の一端１０６ａの反対側の他端１０６ｂを接続してもよい。また固定手段１０８も同様にフランジ７４（全体浮体１２側）に設け、周期調整バネ１０６の一端１０６ａを第２のフランジ１０２に接続し、他端１０６ｂを固定手段１０８に接続してもよい。
【００８８】
上述の質量調整機構３０と復元力発生機構１００においては、結果的に波浪の周期が発電浮体２２本来の固有周期以下であれば復元力発生機構１００が駆動し、発電浮体２２本来の固有周期以上であれば質量調整機構３０が駆動するものとして説明した。しかし、これらを共に駆動させることは可能であり、本実施形態においては、発電浮体２２の周期を決定する２つのパラメータ（復元力、質量）を有することになるので、波力発電装置１０の設計及び波浪の状態に対応して２つのパラメータの重み付けを適宜設計する構成としても良い。なお質量調整機構３０（高さ調整機構３１）を駆動させる際には、復元力発生機構１００の周期調整の誤差を無くすため、発電浮体２２の高さが初期位置に戻るまで周期調整バネ１０６の第２のフランジ１０２への固定を全て解除する必要がある。
【００８９】
図１に示すように、誘導起電力発生機構１２０は、全体浮体１２及び発電浮体２２に跨って取り付けられ、発電浮体２２の全体浮体１２に対する相対運動を利用して誘導起電力を発生させるものである。
【００９０】
図５に誘導起電力発生機構の制御ブロック図を示す。誘導起電力発生機構１２０は、前記全体浮体１２に取り付けられ、前記発電浮体２２を挿通するとともに前記相対運動の方向に並べて取り付けられた複数の発電コイル１２２と、前記発電浮体２２に取り付けられ、前記複数の発電コイル１２２を挿通するとともに各発電コイル１２２の取り付け間隔に対応して取り付けられ前記複数の発電コイル１２２に誘導起電力を発生させる複数の磁石１２４と、前記発電浮体２２から得られる電力が最大となるように前記複数の発電コイル１２２のうち送電側に接続する発電コイル１２２の個数の制御を行なうスイッチ論理計算部１３６と、を有するものである。
【００９１】
発電コイル１２２は複数（ｎ個）用意され、全体浮体１２の貫通孔２０に嵌め込み可能な円筒部材１２６に、発電浮体２２の相対運動の方向に多段階（等間隔）に巻きつけたのち、発電コイル１２２を巻きつけた円筒部材１２６を貫通孔２０に嵌め込むことで、発電コイル１２２は全体浮体１２に取り付けられる。
【００９２】
リング形状の磁石１２４は、その内径が発電浮体２２を構成する円筒形の柱部２６の外径とほぼ同一で、第２のフランジ１０２を取り付ける前の柱部２６の上端から挿通することができる。そして、各発電コイル１２２の取り付け間隔に対応した所定位置に多段階に取り付けられる。
【００９３】
誘導起電力発生機構１２０において、磁石１２４が発電コイル１２２に対して鉛直方向の運動をすることになるが、磁石１２４の厚みを発電コイル１２２と同程度に設計し、発電浮体２２が平衡の位置にあるとき、磁石１２４と発電コイル１２２が水平方向で互いに対向する位置になるように配置すればよい。これにより磁石１２４の発電コイル１２２に対する変動幅（発電浮体２２の全体浮体１２に対する相対運動の幅）が、少なくとも発電コイル１２２の厚み程度あれば発電が可能となり、波高が低い場合でも充分に発電することができるとともに、波高が発電コイル１２２の間隔の数倍あれば、一回の波浪の周期で発電コイル１２２において複数回発電ができるので効率的に発電を行うことができる。
【００９４】
図５に示すように、誘導起電力発生機構１２０において、発電コイル１２２は互いに並列に接続され、各発電コイル１２２が発生した交流電圧は整流回路１２８を介して直流に変換され蓄電部１３０に電力として蓄えられる。また各発電コイル１２２と蓄電部１３０とを結ぶ回路上には第１のスイッチ１３２（Ｓａ１、Ｓａ２、・・・Ｓａｎ）が介装され、第１のスイッチ１３２をオンオフ制御することにより発電コイル１２２の稼動数を制御することができる。また各回路には各回路を短絡可能とし一定の内部抵抗を有する第２のスイッチ１３４（Ｓｂ１、Ｓｂ２、・・・、Ｓｂｎ）が接続されている。第２のスイッチ１３４は通常の発電時は開放されているが、発電浮体２２の振幅が所定の振幅を超えた場合には、第２のスイッチ１３４が全て接続され、発電コイル２２は全て短絡させて発電浮体２２に最大負荷を与え、発電浮体２２の振幅を抑制する。この第１のスイッチ１３２及び第２のスイッチ１３４はスイッチ論理計算部１３６により制御される。
【００９５】
さらに各回路の整流回路１２８と蓄電部１３０との間には電力計１３１が設けられ、各発電コイル１２２からの電力は加算器１３１ａにより加算され、総和の平均値を算出してスイッチ論理計算部１３６にその値（Ｅ）を出力する。
【００９６】
スイッチ論理計算部１３６は、第１のスイッチ１３２（Ｓａ１、Ｓａ２、・・・Ｓａｎ）のオンオフ制御により発電コイル１２２の稼動数（蓄電部１３０への接続数）を制御して、発電浮体２２に対する負荷を与えるとともに、磁石１２４の厚み程度の発電浮体２２の相対運動においても発電を可能にするものである。またスイッチ論理計算部１３６は、発電浮体２２に与える負荷が発電浮体２２の造波減衰力と等しくなるように（造波減衰力に最も近くなるように）前記複数の発電コイル１２２のうち送電側に接続する発電コイル１２２の個数の制御を行うこともできる。上述のように発電浮体２２に与える負荷が浮体の造波減衰力に等しいときに発電浮体２２から最大電力を得ることができる。
【００９７】
ここで発電コイル１２２がｎ個あるとすると、誘導起電力発生機構１２０は互いに値の異なる負荷を離散的にｎ個有することになる。よって発電浮体２２に与える負荷が発電浮体２２の造波減衰力に最も近い負荷となる個数を計算することになる。このときその個数がｋ個（ｋ：ｎまでの任意の正の整数）である場合は、Ｓａ１からＳａｋまでのスイッチをＯＮとし、１番目の発電コイル１２２からｋ番目の発電コイル１２２を蓄電部１３０に接続する。なお、ｋ個の発電コイル１２２を蓄電部１３０に接続する際、発電コイル１２２の柱部２６における並び順に関わらず任意に選択することができる。
【００９８】
またスイッチ論理計算部１３６は、浮体振幅計測器１３８、最大振幅設定器１４４に接続されている。浮体振幅計測器１３８は、例えば高さ調整機構３１の浮体高さ測定器８４から出力される浮体高さ信号８６の最大値と最小値の差分から発電浮体２２の振幅を算出し、その値（Ｙ）をスイッチ論理計算部１３６に出力する。また最大振幅設定器１４４には予め発電浮体２２の最大許容振幅が入力され、その値（Ａ）をスイッチ論理計算部１３６に出力する。そしてスイッチ論理計算部１３６は、発電浮体２２の振幅（Ｙ）と許容最大振幅（Ａ）とを比較し、発電浮体２２の振幅（Ｙ）が許容最大振幅（Ａ）より大きいと判断した場合には、第２のスイッチ１３４（Ｓｂ１、Ｓｂ２、・・・Ｓｂｎ）が全てオンとなる信号を出力し、発電コイル１２２を全て短絡させて発電浮体２２に最大負荷を与え、発電浮体２２の振幅を抑制する。なお、このとき第１のスイッチ１３２は全てＯＦＦとなるように制御する。
【００９９】
さらにスイッチ論理計算部１３６は平均時間設定器１４０に接続されている。平均時間設定器１４０は、スイッチ論理計算部１３６が上述の制御を行なうための所定時間（Ｘ）が設けられ、所定時間（Ｘ）ごとにスイッチ論理計算部１３６を駆動させる信号をスイッチ論理計算部１３６に出力するものである。よって、スイッチ論理計算部１３６は、所定時間（Ｘ）ごとに発電浮体２２の振幅を測定するとともに、所定時間（Ｘ）ごとに発電浮体２２から得られる電力（Ｅ）を測定し、電力（Ｅ）が最大となるように発電コイル１２２の送電側に接続する個数の制御を行なうことができる。これにより、波浪エネルギーの時間的な変動に対応して負荷の大きさを調整するので、波浪から効率よく電力を取得することができる。また発電浮体２２から十分なエネルギーを得られない場合においても、効率は下がるものの一定の電力を取得することができ、波力発電装置１０の発電の歩留を高めることができる。
【０１００】
誘導起電力発生機構１２０は、多段階に設けられた発電コイル１２２と、発電コイル１２２の取り付け位置に対応して取り付けられた磁石１２４を用いることによって、磁石１２４に発電コイル１２２の厚み程度の相対運動をさせるだけで誘導起電力を発生させることができるため、波高が小さい場合でも電力を発生させることができる。そして相対運動が発電コイル１２２の複数段分に相当する振幅を持つ場合は、１周期の相対運動で誘導起電力を複数周期分発生させることができるので効率よく電力を発生させることができる。さらに誘導起電力発生機構１２０の発電浮体２２からのエネルギー吸収効率を最大にすることにより、発電浮体２２の位置エネルギーの損失を最小に抑え、発電効率を大幅に高めることが可能となる。
【０１０１】
したがって、第１実施形態に係る波力発電装置１０によれば、発電浮体２２の全体浮体１２に対する相対運動そのものから直接的に誘導起電力を発生させることができるため、波浪エネルギーから電力への変換効率を大幅に高めることができる。また発電浮体２２の固有周期を長周期側または短周期側にシフトさせることにより波浪の周期に同期させるので、広範囲の波周期に対して発電浮体の運動応答を大きくすることができ、広範囲の波周期に対して高い発電効率を得ることが可能となる。
【０１０２】
また、復元力発生機構１００の発電浮体２２に対する弾性力を大きくすると発電浮体２２の固有周期を短くすることができる。一方。質量調整機構３０を駆動させて発電浮体２２に取り込むバラスト水の量を増やすと発電浮体２２の質量が大きくなり、発電浮体２２の固有周期を長くすることができる。このため、全体浮体に対して相対運動を行なう発電浮体２２本来の固有周期が波浪の周期より短いものに設計されていても、波浪エネルギーを効果的に吸収するための周期への調整が可能となるので、簡易な構成で広範囲の波周期に対して発電浮体２２の運動応答を大きくすることができ、広範囲の波周期に対して高い発電効率を得ることが可能となる。
【０１０３】
図６に第２実施形態に係る波力発電装置２００を示す。図６（ａ）は波力発電装置の要部外略図、図６（ｂ）は波力発電装置の部分詳細図である。第２実施形態に係る波力発電装置２００の構成は基本的には第１実施形態の構成と共通するが、復元力発生機構２０２は、発電浮体２２に設けられ、前記全体浮体１２との間で高さ方向に隙間１０４を形成する第２のフランジ１０２と、隙間１０４に介装されたエアシリンダー２０４と、発電浮体２２の固有周期を前記波浪の周期に同期させるように前記エアシリンダー２０４内の気圧の調整を行う気圧調整機構２１０と、を有する点で相違する。
【０１０４】
エアシリンダー２０４は、全体浮体１２に取り付けられたシリンダー２０６と、第２のフランジ１０２に取り付けられ、シリンダー２０６の気密を保ちつつシリンダー２０６内を空間的に２つに分離するピストン２０８からなり、シリンダー２０６内に一定の気圧を有し気密が保たれた２つの内部空間２０６ａ、２０６ｂが形成される。この内部空間２０６ａ、２０６ｂは互いに空間的に分離しており、それぞれの気圧を高くするほど、エアシリンダー２０４のバネ定数に相当する物理量が増加するため、復元力発生機構２０２の復元力が増加する。
【０１０５】
気圧調整機構２１０は、シリンダー２０６の内部空間２０６ａ、２０６ｂに接続され、内部区間２０６ａ、２０６ｂにそれぞれ独立に圧縮した空気を送り込むコンプレッサー２１２と、同様に内部空間２０６ａ、２０６ｂに接続され，内部空間２０６ａ、２０６ｂの空気をリークするリークバルブ２１４とからなる。コンプレッサー２１２及びリークバルブ２１４はそれぞれ気圧調整機構２１０から出力される駆動信号が入力されて駆動する。
【０１０６】
気圧調整機構２１０は、波周期検知器６４から得られる波浪の周期信号６６に対応して、コンプレッサー２１２またはリークバルブ２１４に駆動信号を出力して内部空間２０６ａ、２０６ｂ内の気圧を調整することにより、復元力発生機構２０２の復元力を調整して発電浮体２２の周期を波浪の周期に同期させるものである。
【０１０７】
このように復元力発生機構２０２の復元力の調整は復元力発生機構２０２を構成するエアシリンダー２０４内の気圧を制御することにより行うので、簡単な構成で復元力の調整を行うことができるとともに、気圧の調整は無段階に行うことができるので、発電浮体２２の固有周期の調整を精度よく行うことができる。
【０１０８】
第２実施形態においては、復元力発生機構２０２のみならず第１実施形態と同様に質量調整機構３０及び誘導起電力発生機構１２０も有するが、復元力発生機構２０２を構成する気圧調整機構２１０は復元力発生機構２０２のバネ定数に相当する物理量を変化させることになるので、第１実施形態に係る復元力発生機構１００と同じ作用を発電浮体２２に与えることになる。よって、復元力発生機構２０２は誘導起電力発生機構１２０とは互いに独立に制御することができる。また第１実施形態と同様に復元力発生機構２０２は、波浪の周期が発電浮体２２本来の固有周期より短いときに駆動して、逆に発電浮体２２本来の固有周期より長いときは質量調整機構３０を駆動させてもよく、また両者を共に駆動させても良い。ただし第１実施形態と同様の理由により、質量調整機構３０（高さ調整機構３１）を駆動する際は、発電浮体２２の高さが初期位置に戻るまでリークバルブ２１４を開放にしておく必要がある。
【０１０９】
図７に第３実施形態に係る波力発電装置３００を示す。第３実施形態に係る波力発電装置３００は第１実施形態と原理は類似するが、発電浮体３０４は、水平方向を回転軸として全体浮体３０２にピン結合されて全体浮体３０２に対して回転する相対運動が可能とされ、誘導起電力発生機構３１０は、全体浮体３０２と発電浮体３０４に跨って形成され、前記回転する相対運動により起電力を発生させ、前記同期制御手段は、前記発電浮体に取り付けられた錘を、前記発電浮体３０４との取り付け位置を前記ピン結合位置を中心として動径方向にスライドさせることにより前記発電浮体３０４の慣性モーメントを調整する慣性モーメント調整機構３１８と、前記全体浮体３０２と前記発電浮体３０４に跨って取り付けられ、前記発電浮体３０４に弾性力を与えることにより前記回転する相対運動に復元力を与える復元モーメント発生機構３２２と、を有し、前記慣性モーメント調整機構３１８及び前記復元モーメント発生機構３２２は、前記回転する相対運動の固有周期を前記波浪の周期に同期させるように駆動する点で相違する。
【０１１０】
発電浮体３０４は、海水に浸漬する運動浮体３０６と、運動浮体３０６に取り付けられ、全体浮体３０２に回転支持ピン３０２ａによりピン結合されるアーム３０８からなる。そしてアーム３０８の中央部で全体浮体３０２にピン結合され、ピン結合の回転軸は水平方向に向いている。これにより発電浮体３０４は波浪の横方向からの力を受けて全体浮体３０２に対して回転する相対運動（スイング運動）を行い、所定の固有周期で振動することになる。
【０１１１】
誘導起電力発生機構３１０は、第１実施形態の発電コイル１２２と磁石１２４の配置を、スイング運動をする際の発電浮体３０４のアーム３０８の上端の円弧状の軌跡に倣って変形させたものである。例えば、発電コイル３１２は全体浮体３０２に所定の間隔で接続する。そしてアーム３０８の上端の円弧状に軌跡に倣って形成され、前記スイング運動において前記軌跡内を通過するように軸棒３１６を接続し、磁石３１４は軸棒３１６に所定の間隔で挿通されて軸棒３１６に接続される。または発電コイル３１２を発電浮体３０４側に接続し、磁石３１４を全体浮体３０２側に接続する構成にしても良い。いずれにしても誘導起電力発生機構３１０の制御は、第１実施形態の誘導起電力発生機構１２０と同様の制御を行なうので説明を省略する。
【０１１２】
慣性モーメント調整機構３１８は、発電浮体３０４のアーム３０８のピン結合より上の部分に設けられた錘３２０と、前記錘３２０をアーム３０８の動径方向（長手方向）にスライドさせるアクチュエータ（不図示）と、発電浮体３０４の固有周期が波浪の周期に同期するようにアクチュエータ（不図示）の駆動量を制御して発電浮体３０４の慣性モーメントを制御することにより発電浮体３０４の周期を調整する制御部（不図示）と、を有する。
【０１１３】
慣性モーメント調整機構３１８は、発電浮体３０４の固有周期を、発電浮体３０４本来の固有周期（錘３２０が無いときの固有周期）より長い周期にすることができる点において、第１実施形態の質量調整機構３０と目的を共通とする。また質量調整機構３０は発電浮体２２の質量を変化させるバラスト水６０の量を制御し、慣性モーメント調整機構３１８は発電浮体３０４の慣性モーメントを変化させる錘３２０の位置を制御する点で異なるが、慣性モーメント調整機構３１８の電気的な制御機構は質量調整機構３０と同様なので説明を省略する。
【０１１４】
復元モーメント発生機構３２２は、第１実施形態と同様に一方を全体浮体３０２に固定され、他方が発電浮体３０４に固定または固定解除可能な複数の周期調整バネ３２４と、前記複数の周期調整バネ３２４を発電浮体３０４への接続のオンオフ制御を行なう複数の固定手段（不図示）と、発電浮体３０４の固有周期を前記波浪の周期に同期させるように固定手段（不図示）の稼働数を制御する周期比較器（不図示）と、を有する。復元モーメント発生機構３２２は第１実施形態の復元力発生機構１００を基準として周期調整バネ３２４や固定手段（不図示）の取り付け位置が変化したのみである。よって復元モーメント発生機構３２２の制御方法は復元力発生機構１００と相違はないため説明を省略する。
【０１１５】
第３実施形態の波力発電装置３００によれば、発電浮体３０４が受ける水平方向からの力により発電浮体３０４が全体浮体３０２に対して振子運動を行なう構成にすることにより、波浪の水平方向の力から効果的に波浪エネルギーを吸収することが可能となる。
【０１１６】
図８に第４実施形態の波力発電装置を示す。第４実施形態の波力発電装置４００は、基本的構成は第１実施形態と類似するが、質量調整機構４０２は、発電浮体２２上に載置される複数のバラストウエイト４０４と、全体浮体１２側に取り付けられ、各バラストウエイト４０４を吊り上げ可能な複数の巻上げモータ４０６と、波浪の周期と発電浮体の周期との差分（周期差分信号６８）に基づいて巻き上げモータ４０６の駆動数を制御してバラストウエイト４０４の発電浮体２２に載置する個数を制御するシフトレジスタ４０８と、を有する点で相違する。また質量調整機構４０２は、第１実施形態の質量調整機構３０と同様に、波周期検知器６４、加算器６２、浮体固有周期計算器４０を有し、更に比較器４１０、モータ制御器４１４を有する。
【０１１７】
一定の重量を有するバラストウエイト４０４（Ｗ１、Ｗ２、・・・、Ｗｎ、ｎ個）は複数用意され、それぞれ対応する巻き上げモータ４０６（Ｍ１、Ｍ２、・・・、Ｍｎ、ｎ個）により吊り上げられ、または発電浮体２２上に載置される。よってバラストウエイト４０４の発電浮体２２に載置する個数を増やすと発電浮体２２の質量が大きくなり、発電浮体２２の周期が長くなる。なお発電浮体２２の上端には第１実施形態と同様に第２のフランジ１０２が設けられ、バラストウエイト４０４の置き場所として利用するものとする。また巻き上げモータ４０６は、例えば第１実施形態で述べたフランジ７４に固定すればよい。
【０１１８】
このように質量調整機構４０２は、発電浮体にバラストウエイトを多く載置するほど発電浮体の固有周期を長くすることができ、またその載置する数を減らすと固有周期は短くなる。したがって簡易な構成で発電浮体の周期の調整を行うことができる。
【０１１９】
なお、質量調整機構４０２は第１実施形態の質量調整機構３０と同様に高さ調整機構を有しているが、動作は第１実施形態の高さ調整機構３１と同様なので説明を省略する。また質量調整機構４０２は第１実施形態で述べたように復元力発生機構１００と独立に制御してもよいし、互いに重み付けを与えて同時に制御してもよい。
【０１２０】
図９に本実施形態の波力発電装置の変形例を示す。いずれの実施形態においても、発電浮体２２、３０４は、図９に示すように、全体浮体１２、３０２に複数設けられ、各発電浮体２２、３０４に質量調整機構３０、４０２、復元力発生機構１００、２０２、誘導起電力発生機構１２０、３１０、がそれぞれ設けられた構成としても良い。全体浮体１２、３０２に対して、質量調整機構３０、４０２、復元力発生機構１００、２０２、誘導起電力発生機構１２０、３１０等をそれぞれ個別に備えた発電浮体２２、３０４を複数取り付けることによって大きな電力を得ることができる。さらに取り付け範囲を波浪の波長以上の範囲に分布させることにより各発電浮体２２、３０４に与えた負荷の全体浮体１２に対する反力を相殺することができるので、各発電浮体２２、３０４において効率よく発電することができる。
【０１２１】
なお各発電浮体２２、３０４において出力される誘導起電力は波浪の位相が一致しないため、互いに同期しない。よって各発電浮体２２、３０４に対応した整流回路（整流回路１２８）の入力側に接続し、整流回路の出力側を並列接続することにより、送電先に直流で電力を送る、または蓄電地（蓄電部１３０）等に蓄えることができる。
【０１２２】
図１０に円柱浮体の単位振幅の規則波中の上下運動のシミュレーション結果を、図１１に円柱浮体の単位振幅の規則波中のエネルギー吸収のシミュレーション結果を示す。本願発明者は、本実施形態における波力発電装置のエネルギー吸収について調査した。図１０に示すシミュレーションにおいては、本実施形態における発電浮体２２に相当する円柱浮体を採用し、円柱の半径を３ｍ、喫水を５ｍとした。また本実施形態で述べた発電浮体２２に作用する質量調整機構に対応して、円柱浮体にバラストを取り込む場合についてシミュレーションを行なうが、円柱浮体の質量の増加率は波浪の周期に同期するような調整は行わず、５０パーセントに固定した。またこの質量の増加に対応して円柱浮体を引き上げる吊り上げバネ８０に見立てた復元力（バネ定数）を、周期調整バネ１０６に見立てた復元力（バネ定数）の１０パーセントとした。さらに本実施形態で述べた復元力発生機構に対応して復元力を与える場合は、波浪の周期に同期するように所定の値まで変化させた。そして発電浮体において「復元力なし、バラストなし」、「復元力あり、バラストなし」、「復元力なし、バラストあり」、「復元力あり、バラストあり」とする初期振動に対して発電を行なうための負荷を与えたときのエネルギー吸収について検討した。なお、いずれの場合においても円柱浮体への負荷は、円柱浮体の造波減衰力に等しくなるように調整した。
【０１２３】
図１０に示すように、「復元力なし、（エネルギー）吸収なし、バラストなし」の場合の第１の運動特性曲線５００は円柱浮体の固有周期においてピークを有する曲線となる。また第１の運動特性曲線５００に前述の負荷を与えてエネルギー吸収を行った場合の第２の運動特性曲線５０２は第１の運動特性曲線５００の相似形で全体的に振幅が小さくなった形状を有している。
【０１２４】
次に、「復元力あり、吸収なし、バラストなし」の場合の第３の特性曲線５０４は、第１の運動特性曲線５００と比較すると、固有周期を示すピークから短波長側では、付加復元力をゼロとする円柱浮体の固有周期から、短波長側の一定の周期まで円柱浮体の固有周期を波浪の周波数に同期するように付加復元力を調整しているので、その波長範囲において第１の運動特性曲線５００よりも高い振幅応答を有する曲線となる。また第３の運動特性曲線５０４に前述の負荷を与えた場合の第４の運動特性曲線５０６は第３の運動特性曲線５０４の相似形で全体的に振幅が小さくなった形状を有している。
【０１２５】
一方、「復元力なし、吸収なし、バラストあり」の場合の第５の運動特性曲線５０８は、第１の運動特性曲線５００が示す円柱浮体の固有周期を示すピークより長波長側にピークがシフトしており、その値も大きくなっている。また第５の運動特性曲線５０８に前述の負荷を与えた場合の第６の運動特性曲線５１０は第５の運動特性曲線５０８の相似形で全体的に振幅が小さくなった形状を有している。
【０１２６】
次に、「復元力あり、吸収なし、バラストあり」の場合の第７の運動特性曲線５１２は、第５の運動特性曲線５０８と比較すると、円柱浮体に質量を与えた場合の固有周期を示すピークから短波長側では、付加復元力をゼロとしバラストを付加した円柱浮体の固有周期から、短波長側の一定の周期まで円柱浮体の固有周期を波浪の周期に同期させているので、その波長範囲において第５の運動特性曲線５０８より高い振幅応答を有する曲線となる。また第７の運動特性曲線５１２に前述の負荷を与えた場合の第８の運動特性曲線５１４は第７の運動特性曲線５１２の相似形で全体的に振幅が小さくなった形状を有している。
【０１２７】
図１１に示すように、第１の吸収特性曲線５１６は、円柱浮体の上下運動の特性曲線である第１の運動特性曲線５００に相当する吸収特性であり、第２の吸収特性曲線５１８は、第３の運動特性曲線５０４に相当する吸収特性であり、第３の吸収特性曲線５２０は、第５の運動特性曲線５０８に相当する吸収特性であり、第４の吸収特性曲線５２２は、第７の運動特性曲線５１２に相当する吸収特性である。
【０１２８】
従って、発電浮体に相当する円柱浮体に復元力及びバラストを追加して適切に制御することにより、第２の吸収特性曲線５１８と第４の吸収特性曲線５２２を合わせたエネルギー吸収が可能となる。このエネルギー吸収は、復元力やバラストを与えない元の円柱浮体の第１の吸収特性曲線５１６よりもはるかに大きいことから、円柱浮体に対して復元力とバラストを与えて適切に制御することにより、元の円柱浮体の固有周期よりも短周期側、長周期側両方で大きなエネルギー吸収が可能となることがわかる。したがって、円柱浮体の固有周期を短周期側及び長周期側にシフト可能とすることにより、円柱浮体は波浪からより多くの波浪エネルギーを吸収することができることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
波力発電浮体の固有周期を短周期側、長周期側両方に移動できる機構を有することにより、波浪エネルギーの吸収効率を高めた波力発電装置及び波力発電方法として利用できる。
【符号の説明】
【０１３０】
１０………波力発電装置、１２………全体浮体、１４………デッキ、１６………脚、１８………浮体、２０………貫通孔、２２………発電浮体、２４………運動浮体、２６………柱部、２８………ガイドシャフト、３０………質量調整機構、３１………高さ調整機構、３２………海水取入口、３４………増量用ポンプ、３６………海水排出口、３８………減量用ポンプ、４０………浮体固有周期計算器、４２………浮体固有周期信号、５０………水槽、５２………流量積算器、５４………流量積算器、５６………加算器、５８………流量差分信号、６０………バラスト水、６２………加算器、６４………波周期検知器、６６………波浪の周期信号、６８………周期差分信号、７０………比較器、７２………ポール、７４………フランジ、７６………ジャッキ、７８………アクチュエータ、８０………吊り上げバネ、８２………変位制御手段、８４………浮体高さ測定器、８６………浮体高さ信号、８８………浮体高さ設定器、９０………高さ差分信号、９２………加算器、９４………比較器、９６………正転信号、９８………逆転信号、１００………復元力発生機構、１０２………第２のフランジ、１０４………隙間、１０６………周期調整バネ、１０６ａ………一端、１０６ｂ………他端、１０８………固定手段、１１０………被固定部材、１１２………貫通孔、１１４………ガイド部材、１１８………周期比較器、１２０………誘導起電力発生機構、１２２………発電コイル、１２４………磁石、１２６………円筒部材、１２８………整流回路、１３０………蓄電部、１３２………第１のスイッチ、１３４………第２のスイッチ、１３６………スイッチ論理計算部、１３８………浮体振幅計測器、１４０………平均時間設定器、１４２………加算器、１４４………最大振幅設定器、１４６………差分信号、２００………波力発電装置、２０２………復元力発生機構、２０４………エアシリンダー、２０６………シリンダー、２０６ａ………内部空間、２０６ｂ………内部空間、２０８………ピストン、２１０………気圧調整機構、２１２………コンプレッサー、２１４………リークバルブ、３００………波力発電装置、３０２………全体浮体、３０２ａ………回転支持ピン、３０４………発電浮体、３０６………運動浮体、３０８………アーム、３１０………誘導起電力発生機構、３１２………発電コイル、３１４………磁石、３１６………軸棒、３１８………慣性モーメント調整機構、３２０………錘、３２２………復元モーメント発生機構、３２４………周期調整バネ、４００………波力発電装置、４０２………質量調整機構、４０４………バラストウエイト、４０６………巻上げモータ、４０８………シフトレジスタ、４１０………比較器、４１２………可変クロック発生器、４１４………モータ制御器、４１６………ワイヤー、４１８………シフトデータ、４２０………シフトクロック、５００………第１の運動特性曲線、５０２………第２の運動特性曲線、５０４………第３の運動特性曲線、５０６………第４の運動特性曲線、５０８………第５の運動特性曲線、５１０………第６の運動特性曲線、５１２………第７の運動特性曲線、５１４………第８の運動特性曲線、５１６………第１の吸収特性曲線、５１８………第２の吸収特性曲線、５２０………第３の吸収特性曲線、５２２………第４の吸収特性曲線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海面上に設置された全体浮体と、
前記海面上の波浪を受けて前記全体浮体に対して所定の固有周期で相対運動が可能な発電浮体と、
前記全体浮体と前記発電浮体に跨って取り付けられ、前記相対運動により誘導起電力を発生する誘導起電力発生機構と、
前記波浪の周期を測定し、前記固有周期を長周期側または短周期側にシフトさせることにより前記波浪の周期に同期させる同期制御手段と、を有することを特徴とする波力発電装置。
【請求項２】
前記同期制御手段は、
前記発電浮体に取り付けられ、前記発電浮体に取り込むバラストの量を調整することにより前記発電浮体の質量を調整する質量調整機構と、
前記全体浮体と前記発電浮体に跨って取り付けられ、前記発電浮体に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与える復元力発生機構と、を有し、
前記質量調整機構及び前記復元力調整機構は、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように駆動することを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。
【請求項３】
前記質量調整機構は、
前記発電浮体にバラスト水を取り込む増量用ポンプと、
前記発電浮体に取り込まれたバラスト水を外部に排出する減量用ポンプと、
前記波浪の周期と前記発電浮体の周期との差分に基づいて前記増量用ポンプ及び前記減量用ポンプのいずれか一方を駆動させる比較器と、を有することを特徴とする請求項２に記載の波力発電装置。
【請求項４】
前記質量調整機構は、
前記全体浮体に固定され前記発電浮体を吊り上げるジャッキと、
前記ジャッキと前記発電浮体との間に介装され、弾性力により前記発電浮体を吊り上げる吊り上げバネと、
前記質量調整機構の駆動に対応して前記発電浮体の初期位置を維持するように前記ジャッキの駆動量を調整する変位制御手段と、
を有することを特徴とする請求項３に記載の波力発電装置。
【請求項５】
前記質量調整機構は、
前記発電浮体上に載置される複数のバラストウエイトと、
前記全体浮体側に取り付けられ、各バラストウエイトを吊り上げ可能な複数の巻上げモータと、
前記波浪の周期と前記発電浮体の周期との差分に基づいて前記巻き上げモータの駆動数を制御して前記バラストウエイトの前記発電浮体に載置する個数を制御するシフトレジスタと、を有することを特徴とする請求項２に記載の波力発電装置。
【請求項６】
前記復元力発生機構は、
前記全体浮体及び前記発電浮体に接続され、前記発電浮体の振幅方向に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与える複数の周期調整バネと、
前記周期調整バネと前記全体浮体との間及び前記周期調整バネと前記発電浮体との間のいずれか一方に介装され、前記周期調整バネの前記全体浮体及び前記発電浮体のいずれか一方との接続及び解除が可能な固定手段と、
前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように各固定手段のオンオフ制御を行う周期比較器と、を有することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の波力発電装置。
【請求項７】
前記復元力発生機構は、
前記全体浮体及び前記発電浮体に接続され、前記発電浮体の振幅方向に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与えるエアシリンダーと、
前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように前記エアシリンダー内の気圧を調整することにより前記発電浮体への復元力を調整する気圧調整機構と、を有することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の波力発電装置。
【請求項８】
前記誘導起電力発生機構は、
前記全体浮体に取り付けられ、前記発電浮体を挿通するとともに前記相対運動の方向に並べて取り付けられた複数の発電コイルと、
前記発電浮体に取り付けられ、前記複数の発電コイルを挿通するとともに各発電コイルの取り付け間隔に対応して取り付けられ前記複数の発電コイルに誘導起電力を発生させる複数の磁石と、
前記発電浮体から得られる電力が最大となるように前記複数の発電コイルのうち送電側に接続する発電コイルの個数の制御を行なうスイッチ論理計算部と、を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波力発電装置。
【請求項９】
前記スイッチ論理計算部は、
前記発電浮体の振幅が所定の値以上であるときに前記複数の発電コイルを全て送電側に接続する制御を行い、前記発電浮体にかかる負荷を最大にし、前記相対運動に制動をかけることを特徴とする請求項８に記載の波力発電装置。
【請求項１０】
前記スイッチ論理計算部は、
所定時間ごとに前記発電浮体から得られる電力を測定し、前記電力が最大となるように前記発電コイルの送電側に接続する個数の制御を行なうことを特徴とする請求項８乃または９に記載の波力発電装置。
【請求項１１】
前記発電浮体は、
海面下で前記相対運動を行う運動浮体と、
前記浮体部の上部に取り付けられ、鉛直方向に伸びて海面上に露出するとともに、前記露出した位置に前記誘導起電力発生機構が取り付けられた柱部と、からなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の波力発電装置。
【請求項１２】
前記発電浮体は、水平方向を回転軸として前記全体浮体にピン結合されて前記全体浮体に対して所定の固有周期で振子運動が可能とされ、
前記誘導起電力発生機構は、前記全体浮体と前記発電浮体に跨って形成され、前記振子運動により起電力を発生させ、
前記同期制御手段は、
前記発電浮体に取り付けられたウエイトを前記発電浮体の動径方向にスライドさせることにより前記発電浮体の慣性モーメントを調整する慣性モーメント調整機構と、
前記全体浮体と前記発電浮体に跨って取り付けられ、前記振子運動の方向から前記発電浮体に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与える復元モーメント発生機構と、を有し、
前記慣性モーメント調整機構及び前記復元モーメント発生機構は、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように駆動することを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。
【請求項１３】
前記発電浮体は、
前記全体浮体に複数設けられ、
各発電浮体に前記誘導起電力発生機構、前記同期制御手段がそれぞれ設けられたことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載に波力発電装置。
【請求項１４】
海面上に設置された全体浮体と、前記海面上の波浪を受けて振幅する発電浮体と、の相対運動により誘導起電力を発生させるとともに、
前記発電浮体の固有周期を長周期側または短周期側にシフトさせることにより前記波浪の周期に同期させることを特徴とする波力発電方法。
【請求項１】
海面上に設置された全体浮体と、
前記海面上の波浪を受けて前記全体浮体に対して所定の固有周期で相対運動が可能な発電浮体と、
前記全体浮体と前記発電浮体に跨って取り付けられ、前記相対運動により誘導起電力を発生する誘導起電力発生機構と、
前記波浪の周期を測定し、前記固有周期を長周期側または短周期側にシフトさせることにより前記波浪の周期に同期させる同期制御手段と、を有することを特徴とする波力発電装置。
【請求項２】
前記同期制御手段は、
前記発電浮体に取り付けられ、前記発電浮体に取り込むバラストの量を調整することにより前記発電浮体の質量を調整する質量調整機構と、
前記全体浮体と前記発電浮体に跨って取り付けられ、前記発電浮体に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与える復元力発生機構と、を有し、
前記質量調整機構及び前記復元力調整機構は、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように駆動することを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。
【請求項３】
前記質量調整機構は、
前記発電浮体にバラスト水を取り込む増量用ポンプと、
前記発電浮体に取り込まれたバラスト水を外部に排出する減量用ポンプと、
前記波浪の周期と前記発電浮体の周期との差分に基づいて前記増量用ポンプ及び前記減量用ポンプのいずれか一方を駆動させる比較器と、を有することを特徴とする請求項２に記載の波力発電装置。
【請求項４】
前記質量調整機構は、
前記全体浮体に固定され前記発電浮体を吊り上げるジャッキと、
前記ジャッキと前記発電浮体との間に介装され、弾性力により前記発電浮体を吊り上げる吊り上げバネと、
前記質量調整機構の駆動に対応して前記発電浮体の初期位置を維持するように前記ジャッキの駆動量を調整する変位制御手段と、
を有することを特徴とする請求項３に記載の波力発電装置。
【請求項５】
前記質量調整機構は、
前記発電浮体上に載置される複数のバラストウエイトと、
前記全体浮体側に取り付けられ、各バラストウエイトを吊り上げ可能な複数の巻上げモータと、
前記波浪の周期と前記発電浮体の周期との差分に基づいて前記巻き上げモータの駆動数を制御して前記バラストウエイトの前記発電浮体に載置する個数を制御するシフトレジスタと、を有することを特徴とする請求項２に記載の波力発電装置。
【請求項６】
前記復元力発生機構は、
前記全体浮体及び前記発電浮体に接続され、前記発電浮体の振幅方向に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与える複数の周期調整バネと、
前記周期調整バネと前記全体浮体との間及び前記周期調整バネと前記発電浮体との間のいずれか一方に介装され、前記周期調整バネの前記全体浮体及び前記発電浮体のいずれか一方との接続及び解除が可能な固定手段と、
前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように各固定手段のオンオフ制御を行う周期比較器と、を有することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の波力発電装置。
【請求項７】
前記復元力発生機構は、
前記全体浮体及び前記発電浮体に接続され、前記発電浮体の振幅方向に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与えるエアシリンダーと、
前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように前記エアシリンダー内の気圧を調整することにより前記発電浮体への復元力を調整する気圧調整機構と、を有することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の波力発電装置。
【請求項８】
前記誘導起電力発生機構は、
前記全体浮体に取り付けられ、前記発電浮体を挿通するとともに前記相対運動の方向に並べて取り付けられた複数の発電コイルと、
前記発電浮体に取り付けられ、前記複数の発電コイルを挿通するとともに各発電コイルの取り付け間隔に対応して取り付けられ前記複数の発電コイルに誘導起電力を発生させる複数の磁石と、
前記発電浮体から得られる電力が最大となるように前記複数の発電コイルのうち送電側に接続する発電コイルの個数の制御を行なうスイッチ論理計算部と、を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波力発電装置。
【請求項９】
前記スイッチ論理計算部は、
前記発電浮体の振幅が所定の値以上であるときに前記複数の発電コイルを全て送電側に接続する制御を行い、前記発電浮体にかかる負荷を最大にし、前記相対運動に制動をかけることを特徴とする請求項８に記載の波力発電装置。
【請求項１０】
前記スイッチ論理計算部は、
所定時間ごとに前記発電浮体から得られる電力を測定し、前記電力が最大となるように前記発電コイルの送電側に接続する個数の制御を行なうことを特徴とする請求項８乃または９に記載の波力発電装置。
【請求項１１】
前記発電浮体は、
海面下で前記相対運動を行う運動浮体と、
前記浮体部の上部に取り付けられ、鉛直方向に伸びて海面上に露出するとともに、前記露出した位置に前記誘導起電力発生機構が取り付けられた柱部と、からなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の波力発電装置。
【請求項１２】
前記発電浮体は、水平方向を回転軸として前記全体浮体にピン結合されて前記全体浮体に対して所定の固有周期で振子運動が可能とされ、
前記誘導起電力発生機構は、前記全体浮体と前記発電浮体に跨って形成され、前記振子運動により起電力を発生させ、
前記同期制御手段は、
前記発電浮体に取り付けられたウエイトを前記発電浮体の動径方向にスライドさせることにより前記発電浮体の慣性モーメントを調整する慣性モーメント調整機構と、
前記全体浮体と前記発電浮体に跨って取り付けられ、前記振子運動の方向から前記発電浮体に弾性力を与えることにより前記発電浮体に復元力を与える復元モーメント発生機構と、を有し、
前記慣性モーメント調整機構及び前記復元モーメント発生機構は、前記固有周期を前記波浪の周期に同期させるように駆動することを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。
【請求項１３】
前記発電浮体は、
前記全体浮体に複数設けられ、
各発電浮体に前記誘導起電力発生機構、前記同期制御手段がそれぞれ設けられたことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載に波力発電装置。
【請求項１４】
海面上に設置された全体浮体と、前記海面上の波浪を受けて振幅する発電浮体と、の相対運動により誘導起電力を発生させるとともに、
前記発電浮体の固有周期を長周期側または短周期側にシフトさせることにより前記波浪の周期に同期させることを特徴とする波力発電方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２２０２８３（Ｐ２０１１−２２０２８３Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９２４２６（Ｐ２０１０−９２４２６）
【出願日】平成２２年４月１３日（２０１０．４．１３）
【出願人】（０００１４４０４９）株式会社三井造船昭島研究所 (27)
【出願人】（５０９２７３３９６）株式会社エス・ケー・イー (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１３日（２０１０．４．１３）
【出願人】（０００１４４０４９）株式会社三井造船昭島研究所 (27)
【出願人】（５０９２７３３９６）株式会社エス・ケー・イー (2)
【Ｆターム（参考）】
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