JP2006257898A

JP2006257898A - 波力発電装置及び方法

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Publication number: JP2006257898A
Application number: JP2005073027A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Nakamura; 孝幸中村; Tetsugen Nakayama; 哲嚴中山; Tomohiro Omura; 智宏大村; Kazuhisa Nakabashi; 一壽中橋; Hiroshi Tanaka; 宏田中
Original assignee: SAIGAI KAGAKU KENKYUSHO; Oriental Construction Co; Fisheries Research Agency
Current assignee: SAIGAI KAGAKU KENKYUSHO; Oriental Construction Co; Fisheries Research Agency
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: WO2006098320A1; JP4958403B2; KR20070114385A; KR101289271B1

Abstract

【課題】エネルギー効率をより向上させることが可能な波力発電装置及び方法を提供する。
【解決手段】海側から陸側にかけて間隔を空けてそれぞれ立設された垂下壁並びに当該垂下壁より吃水の深い不透過壁との間に形成されるとともに上記垂下壁の下端に開口部を設けた遊水室内で特定の方向へ海水の渦流を発生させ、当該渦流に応じて円弧羽根を固着させた回転軸を回転させ、その回転軸の回転に基づく電気エネルギーを取り出して発電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、波力から電気エネルギーを取り出して発電する波力発電装置及び方法に関するものである。

波力発電は、海洋における波エネルギーを動力としてタービンを回転させるとともに発電機を作動させ、これを電気エネルギーに変換して利用する。この波エネルギーを利用するためには、これを空気エネルギーや機械的エネルギー等の力学的エネルギーに変換する。そして、この変換された力学的エネルギーを、さらにタービンや発電機等を用いて電気エネルギーとして取り出す。

即ち、この波力発電は、波力を空気エネルギーに変換し、これに基づきタービンを回転させる方式と、波力を機械的なエネルギーに変換し、これに基づきタービンを回転させる方式の２つに大別されることになる。

波力を空気エネルギーに変換する方式として、従来において図１４に示すような波力発電装置１０６が従来において提案されている。この波力発電装置１０６は、港湾等の海底に設けた広域面積のマウンド１０１に防波堤１０２を構築し、防波堤１０２にケーソンを上下方向に組み入れ、外洋水中に通じる開口部１０３ａを形成させるとともに防波堤１０２に固着された空気室１０３と、当該空気室１０３の上部に配設された空気ダンパ室１０４並びに発電室１０５とを備えている。

波力発電装置１０６は、空気室１０３と空気ダンパ室１０４とを連通させた通気孔１０７と、空気ダンパ室１０４と発電室１０５とを連通させた入力口１０８、及び発電室１０５と外部とを連通させた吸排気口１０９とを各室の隔壁に形成させている。

また、通気孔１０７には、除塵用のスクリーン１１０が形成され、入力口１０８には、空気ダンパ室１０４内部に向けて入力管１１１が取り付けられ、さらにその先端にはフロート弁１１２が配設されている。発電室１０５の入力口１０８にはタービン１１３及び発電機１１４が配設されている。このような構成からなる波力発電装置１０６は、外洋の波が空気室１０３の水面を昇降させ、内部の空気を揺動させることにより、タービン１１３および発電機１１４を作動させて電気エネルギーを得る。

また、特に近年において、特別の複雑な機構を用いることなく、空気室等建物の高さを高くせず、流体の持つ性質を利用することにより発電室１０５への海水の侵入を防ぐことが可能な波力発電装置も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この特許文献１において開示される波力発電装置１３０では、例えば図１５に示すように、空気室１３３とタービン１４３・発電機１４４を収納した発電室１３５の間に海水減勢室１５２を設け、空気室１３３と海水減勢室１５２とを通気管１５３で連通させ、海水減勢室１５２と発電室１３５のタービン１４３とを入力管１５４で連通させている。

この波力発電装置１３０では、空気室１３３内における波圧力が上方の空気を昇降させ、通気管１５３、海水減勢室１５２を通じて連結されているタービン１４３を作動させることにより、電気エネルギーを取得するものであるが、異常な波高が作用したときの海面上昇時には、空気室１３３から上方に抜ける空気は通気管１５３で十分に小さく絞られ、海水減勢室１５２で拡張されることになる。その結果、海水減勢室１５２では海面の上昇速度が遅くなるため、特別な機構を設けなくとも海水の異常な上昇による影響を防止することができる。

また、波力を機械的なエネルギーに変換する方式として、波力から振り子を通して発電機に力を加える、いわゆる振り子式と呼ばれる波力発電装置も提案されている。この振り子式では、波エネルギーを受圧板の振り子運動として捕捉し、油圧に変換する波力発電方式である。

通常、沖合から進行してきた波が壁に当たると、後退する波が発生し、両方の波が混じり合って壁の前に定常波と呼ばれる波ができる。この定常波は水粒子が上下動する振動の「腹」と水平運動をする「節」の部分からなり、この節の部分に可動物体を置けば、そのエネルギーを吸収することができる。振り子式は、かかる可動物体として振り子を適用するものである。

また、波力発電用のタービンに関しても、特に近年において研究が進展し、例えば、特許文献２に開示されているように、波がもたらしてくれるエネルギーを最大限に取り込むことが可能な波力用案内板空気噴出口付無弁タービンも提案されている。この特許文献２において開示されているタービンでは、タービン外装部の上下に、空気の噴出口、吸引口ともなる切れ目を開け、回りを案内板を兼ねる空気噴出口で囲み、中にランナーを入れる。
特開平１０−２４６１７１号公報特開２０００−８７８３８号公報

ところで、上述した従来における波力発電装置では、波のエネルギーを空気エネルギーや機械的エネルギー等の力学的エネルギーに一度変換する必要があるところ、波のエネルギーで直接的にタービン等を回転させる構成と比較して、少量のエネルギーしか取得することができない。即ち、波のエネルギーを直接的に電気エネルギーに変換する場合と比較して、エネルギー効率を向上させることが困難であった。このため、イニシャルコストの方がはるかに高くなり、波力発電そのものの実現化へ向けて大きな障壁となっていた。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、エネルギー効率をより向上させることが可能な波力発電装置及び方法を提供することにある。

本発明を適用した波力発電装置は、上述した課題を解決するために、互いに間隔を空けてそれぞれ立設された第１の壁並びに第２の壁と、この第１の壁の下端から第２の壁の下端にかけて略水平方向に向けて配設された水平板とにより囲まれてなるとともに、第１の壁の下部に開口部が形成された遊水室と、遊水室内に生じた水の渦流に応じて羽根を固着させた回転軸を回転させ、その回転軸の回転に基づく電気エネルギーを取り出して発電する発電手段とを備える。

本発明を適用した波力発電装置は、上述した課題を解決するために、互いに間隔を空けてそれぞれ立設された第１の壁並びに下端が海底面に固定された第２の壁と、この第１の壁の下端から第２の壁にかけて略水平方向に向けて配設された水平板とにより囲まれてなるとともに、上記第１の壁の下部に開口部が形成された遊水室と、上記遊水室内に生じた水の渦流に応じて羽根を固着させた回転軸を回転させ、その回転軸の回転に基づく電気エネルギーを取り出して発電する発電手段とを備える。

また、本発明を適用した波力発電方法は、互いに間隔を空けてそれぞれ立設された第１の壁並びに第２の壁と、この第１の壁の下端から第２の壁の下端にかけて略水平方向に向けて配設された水平板とにより囲まれてなるとともに、上記第１の壁の下部に開口部が形成された遊水室内で、水の渦流を発生させ、当該渦流に応じて羽根を固着させた回転軸を回転させ、その回転軸の回転に基づく電気エネルギーを取り出して発電する。

円弧羽根を固着させた回転軸からなる水車は、この定常渦流に基づいて反時計周りに回転することになる。その結果、波エネルギーを直接的に電気エネルギーに変換することが可能となり、空気エネルギーや機械的エネルギー等の力学的エネルギーに一度変換する場合と比較して、エネルギー効率をより向上させることが可能となる。このため、イニシャルコストを抑えることが可能となり、波力発電そのものの実現性を大いに高めることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、波力から電気エネルギーを取り出して発電する波力発電装置及び方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した波力発電装置１を示している。この波力発電装置１は、下部透過型で、かつ異吃水２重カーテン式構造であり、海側の垂下壁２の吃水が、陸側の不透過壁３よりも浅くなるように調整されている。即ち、垂下壁２下端に位置する吃水下端部２ａが不透過壁３下端に位置する吃水下端部３ａよりも静水面４に近い位置になるように設けられている。また、これら垂下壁２と不透過壁３は、互いに間隔をあけて平行に配置されてなり、両壁２、３の間には遊水室１０が形成されている。ちなみに、この遊水室１０内における静水面４は、外部に対して開放されていることが前提となる。

このような異吃水２重カーテン壁で構成されている波力発電装置１において、不透過壁３の吃水下端部３ａと海底部５との間には、下部通水開口部６ａが形成されている。

また、下部通水開口部６ａの上端に略一致する高さで、かつ、吃水下端部２ａから吃水下端部３ａにかけて、水平方向に没水平版８が配設されている。この没水平版８は、透過波低減および波の作用に伴う垂下壁２下端より発生する渦流水の制御や、その制御効果による沖向き一方向流の生成を可能とする。また、垂下壁２下端から没水平版８に至るまで開口部７が形成されている。この開口部７から遊水室１０内へ海水が行き来することになる。

さらに、この波力発電装置１は、遊水室１０内における特定の方向に生じた海水の渦流を動力として発電する発電部１１が配設されている。

この発電部１１は、円弧羽根１２を固着させたいわゆる水車としての役割を担う回転軸１３と、海水の渦流に基づいてこの回転軸１３を回転駆動させることにより、電気エネルギーを取り出して発電する図示しない発電機とを備えている。ちなみに、この円弧羽根１２は、いかなる形状からなる羽根で構成されていてもよい。

図２(a)は、この発電部１１を図１中Ａ方向から見た図であり、図２(b)は、この発電部１１の横断面図である。円弧羽根１２は、例えば塩化ビニル等の材料で構成されてなり、回転軸１３の周囲に略１８０°間隔で固着させている。ちなみに、この円弧羽根１２は、かかる構成に限定される趣旨ではなく、いかなる形状で、またいかなる角度間隔で、いかなる枚数で構成されていてもよい。また、この回転軸１３は、軸受け１５により支持されている。この軸受け１５は、例えば回転体として球体を用いたボールベアリング軸受け等が適用され、回転軸１３の回転に伴う摩擦を効果的に減らすことができる。これにより、回転軸１３は、波力を受けて円滑に回転駆動することが可能となるとともに、その位置が強力に保持されることになる。

回転軸１３の両端には、それぞれ円板１６が配設されている。この円板１６を配設することにより、海水を効果的に取り込んで円弧羽根１２を推進させることができ、ひいては回転軸１３の回転駆動力を増加させることが可能となる。ちなみに、この円板１６の構成は省略してもよい。この回転軸１３は、上下方向において垂下壁２下端とほぼ同じ高さとなるように調整されていてもよい。

発電機１４は、海水の渦流に基づく圧力を受けて、波エネルギーを回転軸１３に基づく回転運動のエネルギーに変換し、これから運動エネルギーを取り出す、いわゆる原動機である。

なお、この図２に示す例においては、円弧羽根１２と回転軸１３からなる水車を２基設ける場合を例にとり説明をしたが、かかる構成に限定されるものではなく、１基以上であればいかなる数で構成されていてもよい。

このような構成からなる波力発電装置１では、没水平版８と海底との間に形成された海水透過部６によって潮流や波浪流等の流れの通水機能が維持されるとともに、遊水室１０内でのピストンモードの波動運動を利用して吃水下端部３ａより渦流れを発生し、波動運動のエネルギーを最終的に一方向流のエネルギーに効率的に変換する。

このとき、没水平版８は、図３に示すように遊水室１０内に図中の状態で反時計まわりの渦流を集積するとともに、この渦流が、海水透過部６中を流れる流体へ干渉を及ぼすことを抑えることが可能となる。別の表現をすれば、没水平版８は、海水透過部６において前後方向に延びる下部通水路を形成するもので、特に、この海水透過部６における天井面を形成する役目を果たしている。

このような没水平版８で形成される海水透過部６により、海水透過部６を流れる流体は、図３に示すように、所定方向の水流に強制的に整流され、かつ垂下壁２の海側に形成される時計回りの渦の影響を強く受けることから、波の一周期間で平均化すると海側に輸送される。すなわち、海水透過部６を形成する没水平版８は、陸側から海側に向かう海水の平均流を引き起す役割を果たすことになり、これにより港湾の内外において海水の交流がより促進されることになる。

また、このような海水透過部６を設けることにより、波運動に伴って垂下壁２下端より発生する反時計周りの渦流が遊水室１０内において累積される。この渦流は、時間位相に関係なく、特定の回転方向へ定常的に生じる。この定常渦流の強さは、海水透過部６を介した沖向きの平均輸送流量の大きさにも関係している。

このため、円弧羽根１２を固着させた回転軸１３からなる水車は、この定常渦流に基づいて反時計周りに回転することになる。その結果、波エネルギーを直接的に電気エネルギーに変換することが可能となり、空気エネルギーや機械的エネルギー等の力学的エネルギーに一度変換する場合と比較して、エネルギー効率をより向上させることが可能となる。このため、イニシャルコストを抑えることが可能となり、波力発電そのものの実現性を大いに高めることが可能となる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば図４に示すように遊水室１０の少なくとも一の隅部につき面取りがなされた面取り部９が形成されていてもよい。これにより、上述した定常渦流をより効率的に生成することが可能となり、エネルギー効率をさらに向上させることも可能となる。

以下、このような遊水室１０内の渦流の回転運動エネルギーを円弧羽根１２により取り込むことによる発電利用への可能性につき検討した結果につき説明をする。

この検討実験につき使用したモデルは、図１に示すような波力発電装置１と同一断面であり、１基の堤体長は５０ｃｍである。実験では、この波力発電装置１の模型２１を２基製作して、１ｍの水路幅全体を占めるようにした。ちなみに、製作した模型２１の縮尺は１／２０である。

次に、この製作した波力発電装置１の模型２１を造波水槽中に設ける。この造波水槽２０は、図５に示すように、長さ１００ｍ、幅２ｍ、高さ２ｍの長水路である。造波水槽２０は、コンクリート製の隔壁２８により幅方向にほぼ２等分されており、片側１ｍ幅の試験水路２０ａ内にこの波力発電装置１の模型２１を２基固定した。この造波水槽２０におけるもう一方の水路２０ｂには、端部に透過性の消波工２２が設けられている。これにより、試験水路２０ａにおいて平均流が生じたときに容易に流れが還流して水位差が生じることを防ぐことが可能となる。

試験水路２０ａでは、１／３０勾配の斜面２５が形成され、その頂部２５ａに滑らかに接続するように水平床２６が敷設されている。模型２１は、この水平床２６上において図示しないボルトとナットで固定した。ちなみに、この模型２１における回転軸１３の設置位置は、特定の波条件に対して最も回転数が多いと考えられる位置を、複数回の試行錯誤の後に選定したものである。

また、実験では、試験水路内の１／３０斜面の始端部付近に設けた図示しない容量式波高計で入射波の波高を測定した。また、模型２１からの反射波に関しては、かかる模型２１の海側に２台の容量式波高計を設置し、水面変動記録を読み取ることによりその波高を測定した。さらに、これら２台の波高計の水面変動記録から、入反射波の分離推定法を介して反射率を求めた。

また、模型２１の陸側と、模型２１における遊水室１０内には、それぞれ１台ずつの容量式波高計を設置することにより、透過波高と、遊水室１０内の波高とを測定することができるようにした。

また、海水透過部６における水平流速を測定することができるようにするため、下部通水開口部６ａ周辺において電磁流速計を設置した。

また、波条件は、下記表に示すような条件を用いた。

図６は、円弧羽根１２の波一周期当たりの回転数Ｎを波周期Ｔによる変化で表したものである。この図６より、円弧羽根１２の波一周期あたりの回転数Ｎは、波周期が長く、作用波高Ｈが大きい場合において多くなり、ほぼ２．５回転程度であることが認められる。

作用波高Ｈが大きいと回転数Ｎが増加する理由としては、垂下壁２下端からの渦の量が過度に増加するためであると考えられる。また、作用波の周期が長くなると回転数が増加する理由としては、遊水室１０内におけるピストンモード波動運動の増幅度が長周期側で大きくなるためであると考えられる。これは、円弧羽根１２の回転数と波長Ｌ・遊水室幅Ｂの比（＝Ｌ／Ｂ）の関係を示す図７や、かかるＬ／Ｂに対する反射率Ｃｒ、透過率Ｃｔの関係を示す図８との比較からもある程度類推することができる。

図９は、円弧羽根１２の平均回転角速度を示している。いずれの周期条件においても、作用波高が大きいときに平均回転角速度が高速になる傾向を示している。そして、回転角速度は、波周期による変化があまりみられず、作用波高Ｈが１０ｃｍ程度であるとき８〜９radian/s程度であった。本実験では、作用波高として５ｃｍと１０ｃｍの２種類しか採用していないが、より高い波高の条件下では更に回転角速度は増加すると推測される。

図１０は、代表例として波周期Ｔが１．４ｓのときにおける円弧羽根１２の回転速度の時間的な変化を示している。この図１０から、回転角速度は、時間的な変動成分を有するものの定常的な速度成分が卓越した大きさであることが認められ、波力発電の動力源として利用することができることを示唆している。

図１１は、遊水室内に水車を設置したときにおける反射率Ｃｒと透過率Ｃｔの結果を、波長・遊水室幅比Ｌ／Ｂの変化で示している。この図１１では、減衰波理論による算定結果についても示してある。但し、この算定結果では、水車の影響はないものと仮定している。

この図１１と水車の存在しない図８との比較から、水車を設置することによる影響は、反射率の極小値が現われるＬ／Ｂの条件がそれの大きな長周期側に移行するようになることが分かる。但し、透過率に関しては、水車の設置による影響は殆どみられなかった。

図１２は、遊水室１０内における波高のＬ／Ｂによる変化を示している。この図１２では、遊水室１０内における波高Ｈｃを入射波高Ｈで除した波高増幅度で表してある。

この図から、反射率が低減するのは、波高増幅度が比較的大きくなるＬ／Ｂ＝１２付近であることや、水車の回転数が２．５回転／周期と増加するのもこの条件以降であることが確認できる。このように、反射波の逸散や水車の回転数が著しくなるのは、原因としては遊水室内のピストンモードの波動運動の増幅によるものと考えられる。

以上、波エネルギーの取得を目的として、遊水室１０内に形成される渦流れの運動エネルギーを利用する方法の有効性につき、実験的検討を行ってきた。

その結果、遊水室１０内に設けられた水車は、遊水室１０内に発生する一方向回転渦により、波の一周期当り１．５〜２．５回転程度の割合で一方向に回転することが判明した。そして、その回転数は、入射波高及び波周期が大きくなると増大傾向を示すことも確認することができた。

そして、この波力発電装置１を防波堤として併用する場合において、その防波堤の機能である、透過波及び反射波の低減に関しては、水車を遊水室１０内に設けることによる影響は殆どみられないことが分かった。但し、反射率が極小となる波周期は、水車を設けることにより、多少ながら長周期側へ移行することが確認された。

なお、上述した実施の形態では、海側から陸側にかけて垂下壁２、不透過壁を配置する場合を例にとり説明をしたが、かかる構成に限定されるものではなく、海、河川、湖等の水の流れが存在する如何なる箇所において、いかなる方向へ向けて配設されていてもよい。

また、本発明を適用した波力発電装置１は、例えば図１３に示すように、陸側の不透過壁３を岸３１に接するようにして構成してもよい。この図１３の構成において、上述した図１の構成と同一の要素、部材に関しては、同一の番号を付すことによりここでの説明を省略する。この図１３の構成では、不透過壁３の下端を海底部５に固定させる結果、下部通水開口部６ａに相当する部分にも不透過壁３が延設されることになる。また、海水透過部６において海水は通水することもなくなる。

かかる場合においても同様に、この開口部７から遊水室１０内へ海水が行き来することになる。その結果、遊水室１０内において定常渦流を発生させることが可能となり、円弧羽根１２を固着させた回転軸１３からなる水車を反時計周りに回転させることができ、発電させることが可能となる。

また、この図１３に示すように、陸側の不透過壁３を岸３１に接触させることなく、海上においてこれを配設する場合も本発明に含めてもよいことは勿論である。

さらに、本発明を適用した波力発電装置１は、海側に設けられた垂下壁２並びに陸側に設けられた不透過壁３を設ける場合に限定されるものではなく、これらにつき、互いに間隔を空けてそれぞれ立設された第１の壁並びに第２の壁に代替してもよい。この第１の壁並びに第２の壁は、それぞれ海側、陸側に設けられる場合に限定されることなく、水中のいかなる箇所において配設されていてもよい。また、没水平版８も、いかなる水平板に代替するようにしてもよい。

本発明を適用した波力発電装置を示す図である。発電部の横断面図である。遊水室内において生成される定常渦流につき説明するための図である。遊水室内において隅に面取り部を形成した例を示す図である。本発明を適用した波力発電装置の実験系につき示す図である。波１周期当たりの水車の回転数のデータを示す図である。波１周期当たりの水車の回転数につき波長・遊水室幅比Ｌ／Ｂを横軸にしたデータを示す図である。透過、反射率の関係を示す図である。円弧羽根の平均回転角速度のデータを示す図である。波周期Ｔが１．４ｓのときにおける円弧羽根の回転速度の時間的な変化を示す図である。遊水室内に水車を設置したときにおける反射率と透過率の結果を、波長・遊水室幅比Ｌ／Ｂの変化で示した図である。遊水室内における波高のＬ／Ｂによる変化を示す図である。本発明を適用した波力発電装置における他の例を示す図である。従来の波力発電装置を示す図である。従来の波力発電装置を示す他の図である。

符号の説明

１波力発電装置
２垂下壁
３不透過壁
４静水面
５海底部
６海水透過部
７開口部
８没水平版
９面取り部
１０遊水室
１１発電部
１２円弧羽根
１３回転軸
１４発電機
１５軸受け
１６円板

Claims

互いに間隔を空けてそれぞれ立設された第１の壁並びに第２の壁と、この第１の壁の下端から第２の壁の下端にかけて略水平方向に向けて配設された水平板とにより囲まれてなるとともに、上記第１の壁の下部に開口部が形成された遊水室と、
上記遊水室内に生じた水の渦流に応じて羽根を固着させた回転軸を回転させ、その回転軸の回転に基づく電気エネルギーを取り出して発電する発電手段とを備えること
を特徴とする波力発電装置。
上記遊水室は、波の進入方向に向かって上記開口部が形成されてなること
を特徴とする請求項１記載の波力発電装置。
上記第１の壁並びに第２の壁は、海側から陸側にかけて間隔を空けてそれぞれ立設されてなること
を特徴とする請求項１又は２記載の波力発電装置。
互いに間隔を空けてそれぞれ立設された第１の壁並びに下端が海底面に固定された第２の壁と、この第１の壁の下端から第２の壁にかけて略水平方向に向けて配設された水平板とにより囲まれてなるとともに、上記第１の壁の下部に開口部が形成された遊水室と、
上記遊水室内に生じた水の渦流に応じて羽根を固着させた回転軸を回転させ、その回転軸の回転に基づく電気エネルギーを取り出して発電する発電手段とを備えること
を特徴とする波力発電装置。
互いに間隔を空けてそれぞれ立設された第１の壁並びに第２の壁と、この第１の壁の下端から第２の壁の下端にかけて略水平方向に向けて配設された水平板とにより囲まれてなるとともに、上記第１の壁の下部に開口部が形成された遊水室内で、水の渦流を発生させ、
当該渦流に応じて羽根を固着させた回転軸を回転させ、その回転軸の回転に基づく電気エネルギーを取り出して発電すること
を特徴とする波力発電方法。