JP2006097633A - 波力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波エネルギーの回収率を向上させた波力発電装置を提供する。
【解決手段】表面波の影響を受けずに水が殆んど静止している海の深い部分では、浮体が浮力と重力の差によって上下に動かされる時の水の抵抗が極力大きくなるように浮体の最下部の形状４を選び、反対に海の表面付近では波によって浮体が上下方向に動かされようとする力を最小にするため凹凸の無い筒型の形状１を選定し、さらに浮体の上下運動の固有の周期を係留する場所の年平均の波の周期の０．８倍から１．６倍の範囲で一致させる。ことによって波エネルギーの回収率を向上させている。また、電気分解装置を搭載した波力発電装置を海上の係留し、同じく海上に浮かべたタンクに自動的に高圧水素ガスを蓄積する。
【選択図】図３

Description

本発明は、水上に係留可能に形成された浮体と前記浮体に配設された発電手段を備えた波力発電装置に関する。

四方を海に囲まれたわが国は、波エネルギーの豊かな国の一つである。波エネルギーが簡単に入手可能となれば、そのメリットは計り知れない。

わが国周辺には、幅１ｍ当たり７ｋＷのエネルギーが存在し、国土の海岸線総延長距離３３，８００ｋｍを延長５，２００ｋｍの折れ線で近似するならば、わが国全体で３，５００万ｋＷの波エネルギーが存在する（「高橋重雄１９９９年土木学会誌」を参照）。

この波の持っているエネルギーから仮に1割取り出せたとするとするだけでも、２００３年のわが国の年間総発電電力量（１０電力会社合計）の約１２％を賄うことが可能となる。

わが国ではこれまでに様々な方式の波力発電の研究が行われており、実際に海で実験を行ったものだけに絞っても十数例が知られている。にもかかわらず波力発電の普及が本格化していない理由として、１）コストが高い、２）安全対策が大掛かりとなる、３）景観が損なわれる、と考えられている。

２００４年５月資源エネルギー庁発行の「エネルギー白書」では波力発電の技術レベルは「実用化されていない」という欄に位置付けられており、「新エネルギー利用等の促進に関する特別措置法」においても、太陽光発電、風力発電、バイオマス熱利用，燃料電池等１４項目が積極的にその導入促進を図るべき政策的支援対象となっているのに対して、波力発電は現在はその対象に含まれていない。

さて、従来、波エネルギーを利用する記述としては、例えば、「極数可変型誘導発電機による波力タービン発電装置及びその運転方法」（特許文献１参照）、「波力発電装置」（特許文献２参照）、「波力発電用タービン」（特許文献３参照）あるいは、「地球温暖化モニタリング洋上プラットフォーム」（特許文献４参照）などが提案されていた。
特開平１０−１７６６４９号公報 特開平１１−２０１０１４号公報 特開平９−２８７５４６号公報 特開２００１−１５１１９２号公報

ここで、特許文献１の従来装置は、発電機の回転速度を適正に制御して効率を向上し、発電電力の増加を可能とするものである。

また、特許文献２の従来装置は、ウエルズタービンを用いて発電機の回転方向を常に一定として構造の簡素化を行うものである。また、特許文献３の従来装置も同様に、タービンの回転翼の角度及び案内羽根の角度を空気の流れに応じて制御し、発電機の回転方向を常に一定として構造の簡素化と発電効率の向上を図るものである。

また、特許文献４の従来装置は、水平安定盤を設けて波エネルギーの回収率向上を図るものである。

しかしながら、特許文献１と特許文献３の従来装置の場合は機構及び制御が複雑になり過ぎて建設やメンテナンスのコストがあまり下がらない可能性があるという不具合がある。

また、特許文献２の従来装置の場合も、海底に固定する方式であるため建設時やメンテナンス時の安全対策のコストがあまり下がらない可能性があり、また、メンテナンスのための分解が大変であるため、多くの工数と長期の工事期間を要するという不具合がある。また、ウエルズタービンで効率を上げようとすると、それなりにコストがかかるという不具合もある。

また、特許文献４の従来装置は、海面上のプラットフォーム部分が球形であるため波の上下動の影響が大きく波エネルギーの回収を阻害しているという不具合がある。

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、装置製作、設置のコストを低く抑え、メンテナンス性、安全性に優れ、かつ、景観に殆んど影響を与えない波力発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、水上に係留可能に形成された浮体と前記浮体に配設された発電手段を備えた波力発電装置において、前記浮体を長い筒型に形成し、前記浮体の下端に取付けられたバラストと前記バラストから離れた位置の前記浮体中間部に設けられた浮力調整室の浮力を調整することにより前記浮体を垂直に浮遊させるとともに、前記浮体の上端部に空気室を設け、前記浮体の筒の上部分の凹凸を少なくして前記浮体の上下運動に対する水の抵抗を少なくする一方、前記浮体の下部分に前記水の抵抗を大きくする突起を設け、水面の上下動により前記空気室の内部と外部の間に生ずる空気流を利用する空気タービンと、当該空気タービンにより回転駆動される発電機を前記浮体の上端部に設けたものである。

また、前記浮体の筒の上部分の水平断面の面積と、装置の質量から次式によって計算される浮体の上下運動の固有の周期Ｔを、係留場所の年平均の波の周期の０．８倍〜１．６倍の範囲で一致させたものである。

計算式：Ｔ＝２π×ＳＱＲ（Ｍ／（Ｓ×ρ×ｇ））
ここに、 Ｔ：浮体の上下運動の固有の周期（ｓ）
Ｓ：浮体の筒の上半部分の水平断面積（ｍ^２）
Ｍ：本装置の内部の海水も含めた全質量（ｋｇ）
π：円周率
ρ：海水の密度（ｋｇ／ｍ^３）
ｇ：重力の加速度（ｍ／ｓ^２）
ＳＱＲ（ｘ）：ｘの平方根を演算する関数

また、前記空気タービンは、前記空気室の内部と外部との間に生じる空気の往復流の方向によらず常に一定方向に回転し、さらに、空気の流れの方向に応じて回転軸方向に一定距離移動可能なフローティングノズルを備えたものである。

また、前記フローティングノズルを移動させる手段としてダイアフラムを用いたものである。

また、前記浮体の最下部近傍に設けられ、前記発電機から出力される電力により水を電気分解する電気分解装置と、前記浮体の最下部近傍に設けられ、前記電気分解装置から発生した水素を溜めて捕集する空間をさらに備えたものである。

また、前記発電機は、前記浮体の密閉された空間に収容され、当該空間には、前記電気分解装置で生産された水素を導入して与圧し、水の浸入を防止するようにしたものである。

また、複数の前記浮体と、これらの複数の前記浮体を互いに連結して浮体集合物を構成する継手手段をさらに備えたものである。

また、前記浮体は、最上部、中間部、および、最下部の３つのセクションに分割され、前記中間部は、軸方向の所定長さを持つ単位部材を連結してなり、当該単位部材の個数を変えることで前記浮体の全長寸法を設定するとともに、前記浮体は、全体を通しボルトによって結合、組立てる構造としたものである。

また、前記通しボルトの代わりにワイヤロープの引張力により結合、組立てる構造としたものである。

また、前記通しボルトは、中空部を有するボルト部材からなり、前記通しボルトの中空部には、前記発電機から出力される電力を前記電気分解装置へ供給するための電力線、あるいは、前記電気分解装置で発生した水素を水上に導くための導管部材が配設されるものである。

また、さらに、水素回収用圧力タンクを水上に配置し、前記導管部材を前記水素回収用圧力タンクへ接続するようにしたものである。

また、前記水素回収用圧力タンクに接続される前記導管部材の端部には、逆止弁を備えたものである。

また、前記バラストをリング状に形成し、その周辺に手摺り状の取っ手を設けたものである。

また、前記空気室の圧力が低下して真空に近づいてきた場合に外気を導入してその真空を緩和するための調整弁を設けたものである。

また、海上の風力がある値より大きくなったことを検出して自動的に開動作を行い、前記浮力調整室の内部の気体を外部に排出して浮力を減じて装置全体を水中に待避させる自動弁を設けたものである。

また、前記浮体の筒の上端に、風車と、この風車の回転により駆動される第２の発電機をさらに備えたものである。

したがって、表面波の影響を受けずに水が殆んど静止している海の深い部分では、浮体が浮力と重力の差によって上下に動かされる時の水の抵抗が極力大きくなり、かつ、反対に海の表面付近では、波によって浮体に作用する力が最小になるので、波エネルギーを利用して効率の良い発電が可能となるという効果を得る。

また、浮体の上下運動の固有の周期Ｔを、係留場所の年平均の波の周期の０．８倍〜１．６倍の範囲で一致させたので、波動と浮体の上下振動の位相差が約９０°となり、波と浮体の上下方向の位置の差を波の高さ以上にもでき、そのため、波エネルギーの回収率を向上できるという効果もある。

また、水深の深い場所での電気分解により水素を発生させているので、海上のタンクには水深に応じた大気圧よりも高い圧力を持った水素の回収が可能となるという効果も得る。

また、空気の往復流の方向によらず常に一定方向に回転する空気タービンを用いて発電機を駆動するので、波エネルギーの回収率を向上できるという効果も得る。

また、前記浮体を最上部、中間部及び最下部の３つのセクションに分割し、さらに中間部を軸方向の所定長さを持つ単位部材を連結して構成しているので、海の深さや年間平均波高さ及び年間平均波周期等に応じて前記中間部の単位長さ部材の個数を変えることにより前記浮体の全長を選択し得るので、基本設計は変えずに広範囲の設置条件に対応可能であり、その結果、標準化あるいは量産化に有利となるという効果も得る。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

まず、本発明の原理について説明する。なお、以下の説明では、本発明にかかる浮体（後述）等を海洋に設置する前提で記述しているが、湖等の内水域においても、本発明にかかる浮体を配置することができる。

図１に示すように、波長が水の深さにくらべ小さい場合には、水面の各点は鉛直面内で波の振幅に等しい半径の円運動を行う。また、図２に示すように、このときには水面下の水の実質の各点も円運動を行うが、その半径は水面から中に入るにしたがって急に小さくなり、半波長程度以上の深さでは水は殆んど動かないことが理論的に証明されている（例えば、『藤本武助著 「流体力学」 昭和３５年第６版 養賢堂発行』を参照）。

そこで、図３に示すように、筒状の細長い浮体１を海中に配置する。この浮体１の略中央部には浮力Ｆ１を得るための浮力調整室２が設けられ、浮力調整室２の上端部では、内部が仕切られている。また、浮体１の下端部は開放されており、海水が自由に出入りすることができる。浮体１の最下部には、浮体１の重力Ｆ２を調整するためのバラスト３が設けられている。このバラスト３は、浮体１の上下動を抑制するための円環状の突起部４の上に設けられており、また、そのために、バラスト３も円環状の形状を有する。

また、浮体１の仕切られている上部は、側面が一部開口していて、海水が出入りできるようになっており、海面から上の部分は空気室５を構成し、浮体１の上端開口部には、空気タービン６が配設されている。

このようにして、本発明では、浮体１は、浮力Ｆ１と重力Ｆ２の釣り合いにより、空気室５に所定の空間を残すように海中に設置される。また、波の上下動に伴って水面が上下動する際に表面波の影響を受けずに水が殆んど静止している水中の深い部分では、浮体１が浮力Ｆ１と重力Ｆ２の差によって上下に動かされる時の水の抵抗が極力大きくなるように、浮体１の最下部が周囲に突出するような円環状の突起部４を設け、反対に海の表面付近では波によって浮体１が上下方向に動かされようとする力を最小にするため凹凸の無い筒型の形状を選定している。

したがって、浮体１は、波の上下動に伴った上下方向への力は、ほぼ抑制され、浮体の慣性により最初に設置した姿勢を維持しようとする。また、浮体１の上部空間に入り込む海水は、出入りの抵抗がほぼ無い程度に十分な開口面積を設けてある。そのために、空気室５の海面は、波の上下動に伴って上下方向に変動し、その変動に伴って浮体１に対して相対的に、空気室５と外気との間で空気のやりとりがある。

そして、波の上下動に伴って空気室５の海面が上昇すると、空気室５の空気は、浮体１の上端開口部より外へ流出し、また、波の上下動に伴って空気室５の海面が下降すると、浮体１の上端開口部より外気が空気室５へ流入する。

一方、空気タービン６は、空気室５から空気が流出されるとき、および、空気室５に空気が流入するときのいずれの場合でも、同一方向へ回転駆動される往復流駆動可能なものを用いており、これにより、空気タービン６は、波の上下動のいずれの際にも同一方向へ回転駆動される。

したがって、この空気タービン６の回転に伴って発電駆動される発電機を備えることで、波の上下動のいずれの際にも発電機の発電作用を得ることができ、波のエネルギーを効率よく電気エネルギーへと変換することができる。

ここで、海面の周期的な上下運動が波である。したがって浮体１の上下運動は海面の波を加振源とする強制振動として解析することが出来る。

図４は、筒状の浮体１の海面近傍の水平断面積と、浮体１を含む装置全体の質量によって決まる浮体１の上下運動の固有の周期と、波の周期の比に対する波エネルギー回収率の変化を示すグラフである。この図の波エネルギー回収率は、例えば海底に固定するなどして浮体１を固定した場合を１として表している。

この図によると浮体１の上下運動の固有の周期を、波の周期の０．８倍から１．６倍に選定すると特に高い波エネルギー回収率が得られる。

計算式：Ｔ＝２π×ＳＱＲ（Ｍ／（Ｓ×ρ×ｇ））
ここに、 Ｔ：浮体の上下運動の固有の周期（ｓ）
Ｓ：浮体の筒の上半部分の水平断面積（ｍ^２）
Ｍ：本装置の内部の海水も含めた全質量（ｋｇ）
π：円周率
ρ：海水の密度（ｋｇ／ｍ^３）
ｇ：重力の加速度（ｍ／ｓ^２）
ＳＱＲ（ｘ）：ｘの平方根を演算する関数

また、この場合、装置内の海水も浮体１と同時に上下運動を行うので、浮体１の長さにより質量を変えることができる。したがって、本発明によると、比較的容易に固有の周期を選定することが出来るので、浮体１を係留する場所の年平均の波の周期に対応することが可能である。

図５は、本発明の一実施例にかかる波力発電装置ＰＭの一例を示している。なお、この波力発電装置ＰＭは、後述するように複数台が連結されて１つの波力発電クラスタを構成し、その波力発電クラスタ毎に、各波力発電装置ＰＭで生成された水素ガス（後述）を回収する回収タンク装置が設けられる。

この波力発電装置ＰＭは、上述したような浮体１を中心にした構成を有し、海面上にあらわれる上部ＰＭａ、海面から海中に没する部分の中部ＰＭｂ、および、バラスト３等が設けられる下部ＰＭｃからなる。

上部ＰＭａは、浮体１の躯体を構成する円筒部材ＢＭ１，ＢＭ２，ＢＭ３からなり、最上部の円筒部材ＢＭ１には、風車１１と、この風車により回転駆動される発電機１２が収容され、円筒部材ＢＭ２には、空気タービン６とこの空気タービン６により回転駆動される発電機１３（図示略）からなる発電ユニット１４が収容され、円筒部材ＢＭ３には、その外周面に、他の波力発電装置ＰＭ等と連結するためのリンク部材１５を連結するための複数の連結部１６が設けられている。また、調整弁１７は、空気室５の真空度を緩和するためのものである（後述）。

中部ＰＭＢは、浮体１の躯体を構成する円筒部材ＢＬ１，ＢＬ２，ＢＫ１，ＢＫ２，〜ＢＫｎからなり、円筒部材ＢＬ１は円筒部材ＢＭ３に連結し、円筒部材ＢＬ１に連結される円筒部材ＢＬ２は、海水が出入りするための開口部ＢＬａが設けられている。

また、円筒部材ＢＬ２の下には、同一形状の円筒部材ＢＫ１〜ＢＫｎが順次連結されており、最下端の円筒部材ＢＫｎには、下部ＰＭｃの構成部材を収容するための大径の円筒部材ＢＹが連結されている。ここで、円筒部材ＢＹの上端面は閉じていて、円筒部材ＢＹの内部と円筒部材ＢＫｎの内部は連通せず、円筒部材ＢＹの内部は独立した空間を構成している。

したがって、円筒部材ＢＫ１〜ＢＫｎの連結個数を増減することにより、中部ＰＭｃの長手方向の寸法を決めることができ、それにより、浮体１の長さを設定することができる。

また、円筒部材ＢＫ１，ＢＫ２には、生成した水素ガスを貯蓄するための第１水素タンク２１、第２水素タンク２２、および、浮力調整室２が収容されている。また、浮力調整室２は、その下端面が開放されていて、海水を排除する空間を調整することができるようになっている。

したがって、この場合、第１水素タンク２１と第２水素タンク２２の総容積、および、浮力調整室２の空間容積により浮力Ｆ１の大きさが決定され、また、第１水素タンク２１と第２水素タンク２２の総容積は固定なので、浮力Ｆ１の大きさは、浮力調整室２の空間容積により調整することができる。

また、円筒部材ＢＫ１〜ＢＫｎは、その内部には海水が満たすために、海水が流入できるように小さな開口部を設けている。

下部ＰＭｃの円筒部材ＢＹには、発電機１２，１３により発電された電力により海水を電気分解して水素ガスおよび酸素ガス等を発生させる電気分解装置２５が収容されており、円筒部材ＢＹの内部は、電気分解装置２５により発生された水素ガスを貯留するための空間（水素ガス貯留部）を構成している。

また、円筒部材ＢＹの上端部には、円環状のバラスト３が取り付けられるとともに、円環状の突起部４が配設される。また、バラスト３の外周面には、取手部材２６が設けられている。

そして、円筒部材ＢＭ３、円筒部材ＢＫ１，ＢＫ２、円筒部材ＢＬ１〜ＢＬｎ、および、円筒部材ＢＹは、中空通しボルト（後述）を複数本使って連結固定されている。

図６は、上部ＰＭａの具体例を示している。

同図において、風車１１は、例えば、サポニウス型の４枚羽根のものを用いることができ、その軸１１ａに、発電機１２の駆動軸１２ａが連結されている。また、駆動軸１２ａには、ベルト駆動機構３０を介してリリーフ弁装置３１の回転軸が連結されている。なお、発電機１２およびリリーフ弁装置３１は、そのケーシング内に水素ガスが導かれるようになっている（後述）。

また、空気タービン６の回転軸６ａには、発電機１３の回転軸１３ａが連結されるとともに、フライホイール３２が取り付けられていて、回転力の安定化が図られている。そして、空気タービン６の下側の空間が、空気室５を構成する。調整弁１７は、空気室５の気圧が一定値より下がると、空気室５の閉塞を開放して、空気室５の気圧を上げるようにしている。また、発電機１３は、水素ガスが満たされるケーシング１３ｂに収容されている。

また、円筒部材ＢＭ３、円筒部材ＢＫ１，ＢＫ２、円筒部材ＢＬ１〜ＢＬｎ、および、円筒部材ＢＹを連結固定するための中空通しボルト３３は、円筒部材ＢＭ３、円筒部材ＢＫ１，ＢＫ２、および、円筒部材ＢＬ１〜ＢＬｎの外壁のすぐ内側に挿通部３４が設けられていて、その挿通部３４に通されている。この中空通しボルト３３の中空部は、発電機１２，１３から電気分解装置２５へ電力を供給するための電力線（図示略）、および、電気分解装置２５で発生した水素ガスを回収タンクへ導くための水素ガス輸送チューブ（図示略）を通すための通路となっている。

図７は、空気タービン６の一例を示している。

同図において、回転軸６ａに連結される回転体６ｂの中央部外周には動翼６ｃが設けられているとともに、動翼６ｃを駆動するための上側の静翼６ｄと下側の静翼６ｅは、ケーシング６ｆの内側に設けられている。また、ケーシング６ｆの外側には、それぞれ下ベルマウス６ｇおよび上ベルマウス６ｈが設けられているとともに、ケーシング６ｆは、ダイアフラム６ｉにより、上下方向に移動可能に支持されているとともに、常時は、重力に抗してケーシング６ｆを上方向に付勢されている。

空気室５の内部から外部へ向かって空気が流れるときには、ダイアフラム６ｉによりケーシング６ｆが上方向に移動され、下側の静翼６ｅが動翼６ｃに近接する状態となり、それにより、静翼６ｅにより整流された空気が動翼６ｃを駆動する（図８，９参照）。

逆に、空気室５の内部に外部から空気が流入するときには、ダイアフラム６ｉによりケーシング６ｆが下方向に移動され、上側の静翼６ｄが動翼６ｃに近接する状態となり、それにより、静翼６ｄにより整流された空気が動翼６ｃを駆動する（図８，９参照）。

これにより、空気室５の海面が上昇して空気室５の内部空気が圧縮され、空気が空気室５から外部へ流出するとき、および、空気室５の海面が下降して空気室５の室内の気圧が低下し、空気が外部から空気室５へ流入するとき、そのいずれの場合でも、空気タービン６の動翼６ｃが駆動され、それによって、回転体６ｂが回転し、回転軸６ａが回転して、発電機１３が適切に駆動される。

なお、波の高さが想定していたものより極端に高くなった場合、空気タービン６を通過して流入する空気の流速が音速に近づくと、空気室５に流入する空気の質量が、排出される空気の質量より少なくなる傾向になり、次第に内部の空気量が減少し、装置の設計上の海面バランス位置が上方にずれた状態となり、機能が低下する。

このような現象を避けるために、空気室５の真空を緩和するための調整弁１７が設けられており、その動作圧力は調整可能であり、本波力発電装置ＰＭを係留する場所の条件を勘案して最適値に設定される。

また、調整弁１７を最大限に調整し、空気室５の内部と外部の圧力差を無くする事もできるので、空気タービン６の回転をとめてメンテナンスを行う場合や据付調整時に便利に利用できる。

図１０は、リリーフ弁装置３１の一例を示している。このリリーフ弁装置３１は、風車１１の回転速度が所定の風力に対応した値を超えたときに、リリーフ動作するものである。

リリーフ弁装置３１において、筺体３１ｆの内部は従来から一般に使用されている遠心式調速機と同じ構造であり、軸３１ａの回転素度に応じてスリーブ３１ｃが回転しながら上下動を行う。

スリーブ３１ｃの頂上部は、ベアリング３１ｏを介してスライドブロック３１ｐに接続され、上下動のみが伝達される。

遠心式調速機の筺体３１ｆの上には、リリーフ弁の外ケース３１ｒが固定され、弁３１ｔは圧縮スプリング３１ｗの付勢力により孔３１ｕを閉塞する。

弁３１ｔは、外ケース３１ｒに組み込まれたスライドブロック３１ｐを貫通し、ダブルナット３１ｚにより余裕を持って接続される（図１０の状態）。

したがって、軸３１ａの回転速度が上がればスライドブロック３１ｐが下がり始め、ついには弁３１ｔのダブルナット３１ｚに辺り、これを押し下げ、それにより、弁３１ｔは孔３１ｕを開放し、弁を満たした流体は流出する（リリーフ状態）。ここで、ダブルナット３１ｚの位置は、本装置を待避させる風力（後述）に合わせて調整する。

図１１は、中空通しボルト３３の構成例を示している。

この中空通しボルト３３は、適宜な長さで設けられ、その複数個が連結部３３ａで連結されることで、浮体１の長さの増減に対応できるようになっている。

図１２は、本発明の一実施例にかかる水素ガス系統の一例を示している。

同図において、電気分解装置２５により生成された水素ガスは、円筒部材ＢＹに設けられる水素ガス貯留部に貯められた後、逆止弁４１を介して、一次タンク２１へ導かれ、一次タンク２１に蓄積された水素ガスは、逆止弁４２を介して二次タンク２２へ導かれ、二次タンク２２に蓄積された水素ガスは、逆止弁４３を介して、回収タンクへと導かれる。

この系統は、水素ガスの生成と回収のための系統である。

一方、一次タンク２１は、分岐ユニット４４に連絡され、この分岐ユニット４４には、外部から手動弁４５を介して、水素ガスＨＧが導入される。また、分岐ユニット４４は、絞り弁４６を介して、浮力調整室２３のフロート弁４７に接続されている。ここで、絞り弁４６には、手動弁４８がバイパス接続されている。

また、分岐ユニット４４は、絞り弁４９を介して、発電機１３のケーシング１３ｂに接続されている。ここで、ケーシング１３ｂには、発電機１３の軸１３ａをシールする軸シール５０が設けられている。

また、分岐ユニット４４は、絞り弁５１を介して、発電機１２とリリーフ弁装置３１のケーシング５２に接続されている。ここで、ケーシング５２には、発電機１２の軸１２ａをシールする軸シール５２ａが設けられている。

また、分岐ユニット４４は、絞り弁５３を介して、圧力制御弁５４の圧力制御部に接続されている。また、絞り弁５３と圧力制御弁５４の圧力制御部への接続部には、蓄圧タンク５５が接続されているとともに、リリーフ弁装置３１に接続されている。

また、圧力制御弁５４は、浮力調整室２３において、後述する水没状態を規定するための水位ＬＢに設定された管路５６を、外部へ接続するためのものであり、また、浮力調整室２３の最上位レベルを連通する手動弁５７にも接続されている。

さて、この波力発電装置ＰＭを起動する際、まず、取手部材２６に引き綱を繋いで引き船で移動して波力発電装置ＰＭを海面上の適宜な位置に配置する。次いで、手動弁４５を開き、水素ガスＨＧを装置内に引き入れる。

これにより、まず、分岐ユニット４４を介して、各部へ水素ガスが送られる。例えば、一次タンク２１に送られた水素ガスは、逆止弁４２を介して二次タンク２２へ送られ、それにより、一次タンク２１と二次タンク２２に貯留していた空気は、水素ガスに置き換えられる。

また、絞り弁４６をバイパスさせる手動弁４８を開くことにより、浮力調整室２３のフロート弁４７に送られた水素ガスは、浮力調整室２３へ貯留し、徐々に浮力調整室２３の空間が大きくなり、浮体１の浮力Ｆ１が大きくなる。そして、フロート弁４７のフロート４７ａが、あらかじめ設定された通常運転水位ＬＡに達すると、フロート弁４７は閉塞し、それにより、波力発電装置ＰＭは、図１３の左側に示すような通常運転状態まで浮上した状態となる。

また、絞り弁４９を介してケーシング１３ｂに送られた水素ガスは、発電機１３の周囲を満たす。それにより、発電機１３のケーシング１３ｂは、水素ガスにより予圧され、ケーシング１３ｂの内部に海水が入り込むような事態が抑制される。

また、絞り弁５１を介してケーシング５２に送られた水素ガスは、発電機１２およびリリーフ弁装置３１の周囲を満たす。それにより、ケーシング５２は、水素ガスにより予圧され、ケーシング５２の内部に海水が入り込むような事態が抑制される。

また、絞り弁５３を介して圧力制御弁５４の圧力制御部に供給される水素ガスは、蓄圧タンク５５へ蓄積されて、一定の圧力を作用する。この圧力が所定値よりも大きくなっている状態では、圧力制御弁５４がオフ動作し、それにより、浮力調整室２３の管路５６は外部から遮断され、圧力調整部２３は、フロート弁４７による浮力調整が有効となる。それとともに、通常の運転状態では、手動弁５７を閉塞しておく。

このようにして、波力発電装置ＰＭが通常運転状態まで浮上している状態では、波の上下運動により空気タービン６が回転し、それにより、発電機１３が駆動され、発電機１３で発生された電力が電気分解装置２５へ供給される。

それとともに、海上に吹く風により風車１１が回転し、それにより、発電機１２が駆動され、発電機１２で発生された電力も電気分解装置２５へ供給される。

このようにして、発電機１２，１３で発生された電力が電気分解装置２５へ供給され、それにより、電気分解装置２５が作動して、海水を電気分解し、それによって得られた水素ガスは、円筒部材ＢＹの水素ガス貯留部へ貯留し、水素ガス貯留部から一次タンク２１へと送られる。

一次タンク２１へ送られた水素ガスは、逆止弁４２を介して二次タンク２２へ送られ、さらに、逆止弁４３を介して、回収タンクへ送られる。

ここで、水素ガス貯留部は、波力発電装置ＰＭの浮体１の最下部に位置しており、当該水深位置における水圧を受けるので、例えば、２（Ｋｇゲージ圧）程度の圧力を有している。したがって、特別な圧送機構を備えなくても、電気分解装置２５で生成された水素ガスは、回収タンクへと順調に供給される。この場合、例えば、逆止弁４１，４２，４３の設定圧力を１．５気圧程度に設定することが好ましい。

また、一次タンク２１に貯留した水素ガスは、分岐ユニット４４に送られるので、例えば、浮力調整室２３の貯留水素が抜けた場合、フロート４７ａが上がってフロート弁４７が開動作したとき、一次タンク２１から供給される水素ガスが浮力調整室２３へ送られるので、再度、浮力調整室２３の水面が下降し、フロート４７ａが所定水位ＬＡまで移動した状態で、フロート弁４７が閉動作する。

このようにして、浮力調整室２３の作用により、波力発電装置ＰＭは、通常運転状態まで浮上した状態が維持される。

さて、荒天により海上の風速が大きくなり、波浪も高くなり、波力発電装置ＰＭを運転することが危険になる状態になった場合、このときには、風車１１の回転速度が非常に大きくなり、上述したように、リリーフ弁装置３１がリリーフ動作する。

それにより、圧力調整弁５４の圧力制御部の圧力が低下しようとするが、このとき、蓄圧タンク５５に蓄積された水素圧力により、圧力制御部に作用する圧力が維持される。

ここで、荒天の状況が続き、リリーフ弁装置３１のリリーフ動作が長い時間継続されると、蓄圧タンク５５に蓄積された水素圧力も低くなり、圧力制御部に作用する圧力が設定値よりも低下する。

それにより、圧力調整弁５４が開動作し、浮力調整室２３の管路５６が外部へと連通されるので、浮力調整室２３の水位が水没状態水位ＬＢまで上昇し、図１３の中央に示すように、風車１１上部の制御室のみ残して波力発電装置ＰＭが水没する。

この状態では、空気タービン６および風車１１は回転せず、したがって、発電機１２および発電機１３の発電が停止する。ただし、一次タンク２１には、浮力調整室２３を満たした他に発電機１２，１３のケーシング５２，１３ｂに長時間供給できるための十分な余裕を持つため、ケーシング５２，１３ｂに海水が入り込むような事態は抑制される。

風車１１の回転停止と同時に、リリーフ弁３１は閉じられ、水素ガスは一次タンク２１から分岐ユニット４４および絞り弁５３を介して蓄圧タンク５５および圧力制御弁５４の駆動部に送られ、症圧を開始する。しかし、絞り弁５３の流量が小さく調整されているため、圧力制御弁５４が閉塞されるまでに長時間を有する。

この状態で、水素ガスは、一次タンク２１から分岐ユニット４４、絞り弁４６、および、フロート弁４７を介して浮力調整室２３へと供給されるが、圧力制御弁５４が開いているため、浮力調整室２３の内部の水位は、水位ＬＢに留まる。

このようにして、一旦水没した際には、一定時間、図１３の中央に示したように、水車部以下水没の状態が維持される。

一方、圧力調整弁５４の制御部に作用する水素ガスの圧力が高まり、圧力調整弁５４が閉じると、浮力調整室２３内の圧力は徐々に上昇し、それに伴って、浮力調整室２３内の水位が下がり、波力発電装置ＰＭは徐々に浮上する。

そして、浮力調整室２３の水位が基準水位ＬＡに達すると、フロート弁４７が閉動作し、それ以降は、上述した場合と同様に、通常運転状態を維持する。

ここで、水没してから、波力発電装置ＰＭの浮上が完了するまでの時間は、絞り弁４６の流通量により設定することができ、例えば、６〜１２時間程度に設定すると良い。

さて、台風が接近している場合などで、非常に荒天状態が悪い場合、例えば、図１３の右側で示したように、波力発電装置ＰＭを安全な位置まで完全に水没させる必要がある。

このような場合には、事前に、手動弁５７を開放する。これにより、浮力調整室２３に貯留された水素ガスが全て排出されるので、波力発電装置ＰＭは沈下を続け、例えば、回収タンクを支持するボート（後述）に接続する綱などにより、図１３の右側に示すように安全な水位で止まる。あるいは、設置海域の水深によっては、海底に達しても良い。

この状態からの浮上には、風車以下水没の状態から浮上する場合に要する時間に、浮力調整室２３内の水位が、天井から水位ＬＢまで下がる時間が加算される。例えば、２４〜４８時間程度に設定することができる。

ここで、どの状態にまで水没させるかは、手動弁５７の開閉により決めることができる。また、どれだけの時間、水没状態を維持するかは、絞り弁４６および絞り弁５３の流通量によって定まるため、例えば、設置場所や台風シーズンの前後にそれらを操作するだけで、後は、一切の調整作業を必要としない。

また、この緊急待避状態から復帰させる場合には、手動弁４５を介し、外部より水素ガスを供給して、通常運転状態まで浮上させるようにすればよい。

図１４（ａ），（ｂ）は、本発明の一実施例にかかる波力発電プラントの一例を示している。

この波力発電プラントでは、複数の波力発電装置ＰＭをリンク部材１５により連結して構成した波力発電クラスタを有し、また、それぞれの波力発電装置ＰＭで生成した水素ガスを収容する回収タンク６０は、ボート６１に収容されている。

このようにして、複数の波力発電装置ＰＭにより波力発電クラスタを形成しているので、効率が良く、かつ、安定した水素生成が可能となる。

また、海上に浮かべた回収タンク６０の圧力が、電気分解装置２５の水深に見合う圧力まで到達すると、水素は浮体１の最下部の円筒部材ＢＹに溜まり出し、それによる浮力の増加により浮体が浮き上がりやがて水素発生が止まる。

したがって、浮体１の海面からの飛び出し量を観察することで、波力発電プラントにおける水素回収時期を認識することができるようになり、非常に便利である。

以上説明したように、本発明によれば、水深の深い場所での電気分解により水素が発生するため、海上のタンクには水深に応じた大気圧よりも高い圧力を持った水素の回収が可能である。

また、空気の往復流の方向によらず常に一定方向に回転する空気タービンにおいて、羽根車の上流側に案内羽根を有するノズル（静翼）を設けて羽根車の翼の入り口で回転方向の成分を持った空気流れを生じさているので、性能を改善することができる。この場合空気流の方向が逆になると羽根車の翼の出口においてはノズルの案内羽が流れを阻害することになるが，本発明では空気の流れの方向に応じて回転軸方向に一定距離移動可能なフローティングノズル構造を採用することによって下流側のノズルを羽根車から遠ざけ（図７参照）、且つフローティングノズルが移動することによって生ずる流路へ羽根車から出た空気の流れを導くことによって性能低下を防いでいる。

また、前記フローティングノズルを移動させる手段としてダイアフラムを用いることによって、可動部を有しながら極めて単純な機構となっていて、組立及び調整の作業性が向上する。

また、前記浮体の筒の上端に風車を備えているため、波の静かな時にも海上に風さえあれば水素生産が出来る。

また、前記浮体を複数個、互いに連結して前記浮体の集合体として海面に敷設するための手段として両端に回転自由の継手を有するリンクを設けているので、互いに上下方向の動きをあまり制約することなく、互いの衝突による破損を避けることが出きる。

また、本発明によると、海上に浮かべた水素回収用圧力タンク内の圧力が電極部の水深に見合う圧力まで到達すると、水素は浮体最下部に溜まり出し、それによる浮力の増加により浮体が浮き上がりやがて水素発生が止まる。すなわちこの現象を利用すると、浮体の海面からの飛び出し量によって、装置が水素回収時期を自動的に人間に知らせることが出来る。

また、本発明の装置の最下部から周囲に放出される酸素によって海水の溶存酸素を増加させることによって付近の海水の赤潮対策や海藻魚介類の養殖に寄与することができる。

また、前記浮体を最上部、中間部及び最下部の３つのセクションに分割し、さらに中間部を単位長さに分割しているので、海の深さや年間平均波高さ及び年間平均波周期等に応じて前記中間部の単位長さ部材の個数を変えることにより前記浮体の全長を選択し得るので、本発明によると基本設計は変えずに、広範囲の設置条件に対応可能であるという効果があり、標準化、量産化に有利である。

一般に、海上に長時間浮遊している物体は太陽の紫外線により劣化する。特にプラスチックは太陽光により脆化する性質がある。本発明の装置によると、前記中間部のセクションについて定期的に単位長さの部品を組立て換えを行い、海面からの深さ方向の位置のローテーションによって、太陽光による劣化を均一化して全体として耐用年数を伸ばすことができる。

また、海上に長時間浮遊している物体の海面付近では、貝や海藻など水棲物が付着し易く、水棲物が付着すると海表面の波によって浮体が上下方向に動かされようとする力が増大し、装置の波エネルギー吸収を阻害する。一方水深の深い部分即ち浮体の筒の下半部分では外表面に凹凸がある方が水の抵抗が大きくなるので、波エネルギー吸収の観点から望ましい。本発明の装置によると、前項と同様、前記中間部のセクションにおいて、海面付近の貝や海藻など水棲物が付着しる部品と、深い位置にあって水棲物がまだ付着していない部分にある部品とのローテーションを行うことによって波エネルギー吸収率を増加させる。

また、本発明によると、前記空気タービン用発電機及び前記風車用発電機内部に本装置で生産した水素を導入し常に内圧をプラスに保持されているので、高波により発電機部分に海水がかかっても海水の浸入を防止できる。

また、本発明によると、前記バラストの周辺に全周に亘って手摺り状の取っ手が設けられているため、この取っ手に錨状の釣具を引っ掛けて引き上げ浮体を水平或いは斜めの姿勢にして、海上におけるメンテナンスや運搬時の作業を容易に行うことができる。

波の運動の説明図。 水の粒子の運動の深さによる変化を説明する概略図。 浮体の上下運動を説明する概略図。 波エネルギー回収率と装置の固有周期の関係を示すグラフ図。 本発明の一実施例にかかる波力発電装置ＰＭの一例を示し構成図。 上部ＰＭａの具体例を示した概略断面図。 空気タービンの構成例を示した概略断面図。 ノズル（静翼）及び羽根車（動翼）翼断面の円筒面展開図。 羽根車（動翼）の入口、出口における速度三角形の説明図。 リリーフ弁装置３１の一例を示した概略部分断面図。 中空通しボルト断面図。 本発明の一実施例にかかる水素ガス系統の一例を示したブロック図。 波力発電装置ＰＭの運転状態を説明するための概略図。 本発明の一実施例にかかる波力発電プラントの一例を示した概略図。

符号の説明

１ 浮体
２，２３ 浮力調整室
３ バラスト
４ 突起部
５ 空気室
６ 空気タービン
６ａ 回転軸
６ｂ 回転体
６ｃ 動翼
６ｄ，６ｅ 静翼
６ｆ ケーシング
６ｇ 下ベルマウス
６ｈ 上ベルマウス
６ｉ ダイアフラム
１１ 風車
１２，１３ 発電機
２１ 一次タンク
２２ 二次タンク
２５ 電気分解装置
２６ 取手部材
３０ ベルト駆動機構
３１ リリーフ弁装置
３１ａ 軸
３１ｂ ブロック
３１ｃ スリーブ
３１ｄ，３１ｗ 圧縮スプリング
３１ｅ 下軸受
３１ｆ 筺体
３１ｇ 上軸受
３１ｈ，３１ｉ 錘
３１ｊ，３１ｋ，３１ｍ，３１ｎ 腕
３１ｏ 軸受
３１ｐ 内ケース
３１ｑ 弁ロッド
３１ｒ 外ケース
３１ｓ 弁室
３１ｔ 弁
３１ｕ，３１ｘ 孔
３１ｙ 接栓
３１ｚ ネジ
３２ フライホイール
３３ 中空通しボルト
４１，４２，４３ 逆止弁
４４ 分岐ユニット
４５、４８，５７ 手動弁
４７ フロート弁
４９，５１，５３ 絞り弁
５４ 圧力制御弁
５５ 蓄圧タンク
６０ 回収タンク
ＰＭ 波力発電装置
ＢＭ１，ＢＭ２，ＢＭ３，ＢＬ１，ＢＬ２，ＢＫ１〜ＢＫｎ 円筒部材

Claims (16)

1. 水上に係留可能に形成された浮体と前記浮体に配設された発電手段を備えた波力発電装置において、
   前記浮体を長い筒型に形成し、
   前記浮体の下端に取付けられたバラストと前記バラストから離れた位置の前記浮体中間部に設けられた浮力調整室の浮力を調整することにより前記浮体を垂直に浮遊させるとともに、前記浮体の上端部に空気室を設け、
   前記浮体の筒の上部分の凹凸を少なくして前記浮体の上下運動に対する水の抵抗を少なくする一方、前記浮体の下部分に前記水の抵抗を大きくする突起を設け、
   水面の上下動により前記空気室の内部と外部の間に生ずる空気流を利用する空気タービンと、当該空気タービンにより回転駆動される発電機を前記浮体の上端部に設けたことを特徴とする波力発電装置。
2. 前記浮体の筒の上部分の水平断面の面積と、装置の質量から次式によって計算される浮体の上下運動の固有の周期Ｔを、係留場所の年平均の波の周期の０．８倍〜１．６倍の範囲で一致させたことを特徴とする請求項１記載の波力発電装置。
   計算式：Ｔ＝２π×ＳＱＲ（Ｍ／（Ｓ×ρ×ｇ））
   ここに、 Ｔ：浮体の上下運動の固有の周期（ｓ）
   Ｓ：浮体の筒の上半部分の水平断面積（ｍ^２）
   Ｍ：本装置の内部の海水も含めた全質量（ｋｇ）
   π：円周率
   ρ：海水の密度（ｋｇ／ｍ^３）
   ｇ：重力の加速度（ｍ／ｓ^２）
   ＳＱＲ（ｘ）：ｘの平方根を演算する関数
3. 前記空気タービンは、前記空気室の内部と外部との間に生じる空気の往復流の方向によらず常に一定方向に回転し、さらに、空気の流れの方向に応じて回転軸方向に一定距離移動可能なフローティングノズルを備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の波力発電装置。
4. 前記フローティングノズルを移動させる手段としてダイアフラムを用いたことを特徴とする請求項３記載の波力発電装置。
5. 前記浮体の最下部近傍に設けられ、前記発電機から出力される電力により水を電気分解する電気分解装置と、
   前記浮体の最下部近傍に設けられ、前記電気分解装置から発生した水素を溜めて捕集する空間をさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４記載の波力発電装置。
6. 前記発電機は、前記浮体の密閉された空間に収容され、
   当該空間には、前記電気分解装置で生産された水素を導入して与圧し、水の浸入を防止することを特徴とする請求項５記載の波力発電装置。
7. 複数の前記浮体と、
   これらの複数の前記浮体を互いに連結して浮体集合物を構成する継手手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の波力発電装置。
8. 前記浮体は、最上部、中間部、および、最下部の３つのセクションに分割され、
   前記中間部は、軸方向の所定長さを持つ単位部材を連結してなり、
   当該単位部材の個数を変えることで前記浮体の全長寸法を設定するとともに、
   前記浮体は、全体を通しボルトによって結合、組立てる構造としたことを特徴とする請求項１記載の波力発電装置。
9. 前記通しボルトの代わりにワイヤロープの引張力により結合、組立てる構造としたことを特徴とする請求項８記載の波力発電装置。
10. 前記通しボルトは、中空部を有するボルト部材からなり、
    前記通しボルトの中空部には、前記発電機から出力される電力を前記電気分解装置へ供給するための電力線、あるいは、前記電気分解装置で発生した水素を水上に導くための導管部材が配設されることを特徴とする請求項８記載の波力発電装置。
11. さらに、水素回収用圧力タンクを水上に配置し、前記導管部材を前記水素回収用圧力タンクへ接続することを特徴とする請求項１０記載の波力発電装置。
12. 前記水素回収用圧力タンクに接続される前記導管部材の端部には、逆止弁を備えることを特徴とする請求項１１記載の波力発電装置。
13. 前記バラストをリング状に形成し、その周辺に手摺り状の取っ手を設けたことを特徴とする請求項１記載の波力発電装置。
14. 前記空気室の圧力が低下して真空に近づいてきた場合に外気を導入してその真空を緩和するための調整弁を設けたことを特徴とする請求項１記載の波力発電装置。
15. 海上の風力がある値より大きくなったことを検出して自動的に開動作を行い、前記浮力調整室の内部の気体を外部に排出して浮力を減じて装置全体を水中に待避させる自動弁を設けたことを特徴とする請求項１記載の波力発電装置。
16. 前記浮体の筒の上端に、風車と、この風車の回転により駆動される第２の発電機をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の波力発電装置。

Images