JP2011074854A - 波力発電用タービン - Google Patents

Abstract

【課題】タービン構造や空気流の流路構造を簡素化して製作・設置コストを低減させ、メンテナンス性、安全性に優れ、タービン駆動効率を向上させたもの。
【解決手段】波力発電用タービンは、海上に係留された波力発電装置を駆動させるものである。波力発電タービン２５は、筒状形状の浮体の頂部に設けられ、この浮体内で振動水柱上に形成される空気室と外気とを連通させるタービンケーシング３５と、このタービンケーシング３５内に格納され、静翼としてのトーラス状のノズルリング組立体４０と、このノズルリング組立体４０から吹き出される空気流により回転駆動され、タービン軸２６と回転一体に連結された動翼としての羽根車２７と、ノズルリング組立体４０の外周部に、外気からの空気流と前記空気室からの空気流を選択的に案内するように、前記タービンケーシング内で上昇位置と下降位置との間を昇降ストロークするピストン形状の空気流制御機構４８とを有する。
【選択図】 図６

Description

本発明は波力エネルギを利用して発電を行う波力発電技術に係り、特に波浪（波力）エネルギ変換システムにより発電装置と協動して波力エネルギを電気エネルギとして取り出す波力発電用タービンに関する。

周辺を海に囲まれた海洋国である我が国には、海に波力エネルギが豊かに存在するが波力エネルギの活用には至っていない。波力エネルギは入手が簡単であるので我が国や海洋国において波力エネルギを利用した様々な方式の波力発電の研究が行われている。実際海上に於ける波力発電の研究が行われているが安全対策が大掛かりとなり、コストが高い、また、景観が損なわれる等の理由により、波力発電は普及の段階に至っておらず実用化されていない。

海洋発電は地球環境に優しいクリーンエネルギであり、地球温暖化防止に大きく寄与するものであるから、火力、水力、風力や原子力のような従来の発電方式の経済性に近いところまで製造コストの低減が図れれば将来の有望なエネルギ源であり、本格的な普及が図れるものであると思料する。

波力（波浪）エネルギを電気エネルギとして取り出す公知の波浪エネルギ式変換システムは、
ａ）越波揚水方式（Ｔａｐｅｒｅｄ＿Ｃｈａｎｎｅｌ＿Ｓｙｓｔｅｍ）
ｂ）振動水柱方式（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ＿Ｗａｔｅｒ＿Ｃｏｌｕｍｎ＿Ｓｙｓｔｅｍ）
ｃ）運動物体方式（Ｍｏｖｉｎｇ＿Ｂｏｄｙ＿Ｔｙｐｅ）
の３つに分類される。

これら３つの方式における現在の主流は、図１に簡略的に示すような振動水柱方式（以下、ОＷＣ方式という。）である。この振動水柱方式の波力発電装置１では、海水（水中）に保留された筒型形状の浮体２上に空気タービン３にて駆動される発電機４が設置される。浮体２は、水中（海中）で図示しないバラスト（重錘）により鉛直方向に浮遊状態に保持され、浮体２の浮力と発電機４やバラストの重力との関係で、浮体２の頂部側に空気室５が形成される。この空気室５は浮体２内の水柱（振動水柱）の往復動により発生する水面の昇降により、空気室５の内部と外部との間で空気流が発生する。この空気流により空気タービン３が駆動される。

空気タービン３の駆動により発電機４が回転駆動され、振動水柱６の昇降に伴なう波力エネルギは、発電機４から電気エネルギに変換されて外部に取り出される。

従来からОＷＣ方式に用いられる空気タービン３には、特許文献１に記載の「波力発電用タービン」および特許文献２や特許文献３に記載の「波力発電装置」が存在する。

特許文献１に記載された波力発電用タービンは、空気タービンの回転翼の角度およ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タービン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２に記載された波力発電装置は、波力発電用タービンとしてウェ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図るものである。

さらに、特許文献３に記載された波力発電装置は、空気タービンに回転方向一定の衝動型タービンを用いてタービン回転軸方向と一定距離移動可能なフローティングノズルを組み合わせて構造の簡素化と性能の向上を図るものである。

特開平９−２８７５４６号公報 特開平１１−２０１０１４号公報 特開２００８−９５５６９号公報

特許文献１に記載された波力発電用タービンは、タービン翼構造の特殊性から、回転翼の回動を制御する機構や制御が複雑で困難性を伴ない、建設やメンテナンスコストが嵩む等の問題があった。

また、特許文献２に記載の波力発電装置がウェルズタービンを採用しており、このウェルズタービンで低起動トルク特性や低効率特性を改善しようとすると、可変ピッチ案内羽根を取り付ける必要があり、取付構造が複雑となってコスト増を招く問題があった。

さらに、特許文献３に記載の波力発電装置は、羽根車に流入する空気流が反転しないラジアルフローであるが重要部品であるフローティングノズルの移動開始の時間に遅れがあり効率向上のネックとなっている。

この特許文献３に記載の波力発電装置は重要部品であるフローティングノズルの中に海面上昇時に機能する静翼と海面下降時に機能する静翼をそれぞれ専用に備えており、この二組の静翼は一方が羽根車に空気流を導く作用をしているとき、他方は前記羽根車をまわした後の空気を排出する通り道に位置していた為、排気の邪魔となっていた。このため、空気流の流れがスムースでなく、排気流路の流路抵抗も大きく、タービン駆動効率を向上させることが困難で、発電効率の向上を図る上で問題となっている。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、タービン構造や空気流の流路構造を簡素化して製作・設置コストを低減させ、メンテナンス性、安全性に優れ、タービン駆動効率を向上させた波力発電用タービンを提供することを目的とする。

本発明に係る波力発電用タービンは、上述した課題を解決するために、波力発電装置の発電機を駆動する波力発電用タービンにおいて、筒状形状の浮体の頂部に設けられ、この浮体内で振動水柱上に形成される空気室と外気とを連通させるタービンケーシングと、このタービンケーシング内に格納され、静翼としてのトーラス状のノズルリング組立体と、このノズルリング組立体から吹き出される空気流により回転駆動され、タービン軸と回転一体に連結された動翼としての羽根車と、前記ノズルリング組立体の外周部に、外気からの空気流と前記空気室からの空気流を選択的に案内するように、前記タービンケーシング内で上昇位置と下降位置との間を昇降ストロークするピストン形状の空気流制御機構とを有することを特徴とするものである。

本発明によれば、海面上昇時に機能する静翼と海面下降時に機能する静翼とを共用させ、海面上昇時に上昇するフローティングチェスト等の空気流静翼機構を静翼から除去して空気流制御機構の重量軽減を図り、海面上昇に対する空気流の切換え追従性、機械的耐久性を向上させたタービン駆動効率を向上させることができる。

また、排気側の静翼をなくすことができ、空気流の流れの流路構造やタービン構造を簡素化して製作、設置コストを低減でき、メンテナンス性、安全性に優れ、タービン駆動効率を向上させることができる。

従来の振動水柱方式の波力発電装置の簡単な原理を示す図。 本発明に係る波力発電用タービンを備えた波力発電装置の原理を示す簡略的な構成図。 波の運動に伴なう海水（水）の深さによる変化を説明する概略図。 本発明に係る波力発電用タービンの実施形態を示すもので、波力発電用タービンを備えた波力発生装置の簡略的な構成図。 本発明に係る波力発電用タービンの第１実施形態を示すもので、上昇位置をとるときの縦断面図。 本発明に係る波力発電用タービンの第１実施形態を示すもので、下降位置をとるときの縦断面図。 図５および図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う平断面図。 本発明に係る波力発電用タービンの第２実施形態を示すもので、上昇位置をとるときの縦断面図。 本発明に係る波力発電用タービンの第２実施形態を示すもので、下降位置をとるときの縦断面図。 本発明に係る波力発電用タービンの第３実施形態を示すもので、下降位置をとるときの縦断面図。 本発明に係る波力発電用タービンの第３実施形態を示すもので、上昇位置をとるときの縦断面図。 図１０および図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う縦断面図。

以下、本発明に係る波力発電用タービンの実施の形態について添付図面を参照して説明する。

［波力発電の原理］
本発明に係る波力発電用タービンの実施形態を説明する前に、波力発電の原理を説明する。

図２は本発明に係る波力発電用タービンを備えた波力発電装置１０の発電原理を示す概略的な構成図を示す。

図２に示すように、波力発電装置１０は海上（水上）に保留可能に設けられた浮体１１と、この浮体１１上に配設された発電手段としての発電機１２とを有する。浮体１１は例えば樹脂製で細長い円筒形状に構成され、海水中に配置される。浮体１１の中程には浮力Ｆを得るための浮力調整室１３が設けられ、浮体１１の下端部は下方に開放されており、海水が自由に出入りできるようになっている。浮体１１の最下部には浮体１１の重力Ｇを調整する重錘としてのバラスト１４が設けられ、このバラスト１４により浮体１１をほぼ鉛直状態に保持するようになっている。バラスト１４は、浮体１１の上下動（昇降）を効率よく抑制するため、円環状あるいは外周フランジ状に形成される一方、バラスト１４の外周部からスリーブ状突起部１５が垂設される。

また、浮体１１の浮力調整室１３の上端部は中仕切板１６により内部が仕切られ、仕切られた中仕切板１６の上部は側面に複数の開口１７が形成され、この開口１７を通じて海水が出入りでき、振動水柱２０を構成するようになっている。浮体１１内で振動水柱２０の水（海）面から上の部分は、空気室（エアチャンバ）１８を構成している。空気室１８を仕切る海面は、周囲の波の振幅により所要の位相差を持って昇降しており、浮体１１内の振動水柱２０を所定の周期で上下動している。このようにして、浮体１１内の上部に振動水柱２０が構成される。浮体１１内の振動水柱２０は所定の周期例えば７秒弱で海（水）面が上下動せしめられる。浮体１１内の下部、すなわち、浮力調整室１３の下方の水柱は上下動せず、固定水柱２１を形成している。

一方、浮体１１の頂部には、波力発電用タービンを構成する空気タービン２５が配設される。空気タービン２５のタービン軸２６は、発電機１２の回転軸に直接あるいはカップリングを介して連結される。

この波力発電装置１０において、浮体１１は浮力Ｆと重力Ｇの釣合いにより、空気室１８に所定の空間を残すように浮体１１の頂部か海面から上方に突出するように、海（水）中に設置される。また、波の上下動に伴なって水面が上下動する際にも、水中の深い部分では、図３に示すように、表面波の影響を受けずに水が殆ど静止している。水中の深い部分では、浮体１１が浮力Ｆと重力Ｇとの差によって上下に動かされる水の抵抗が大きくなるように、円環状あるいは外周フランジ状バラスト１５や外周スリーブ状突起１４が設けられる。

反対に、海の表面付近では、上下動する波によって浮体１１内に開口１７を通して海水が出入りされる。このとき、浮体１１の上部側では、海水の昇降に伴なう上下方向の力が最小となるように凹凸のない筒形状に形成される。

また、波長が水の深さに較べて小さい場合には、水面の各点は、図３に示すように、鉛直面内で波の振幅に等しい半径の円運動を行ない、水面下の水の各点も円運動を行なうが、その半径は水面から中に入るに従って急に小さくなり、半波長程度以上の深さでは、殆ど動かないことが知られている。

図２に示される波力発電装置１０においては、波の上下動に伴なって上下方向の力による浮体１１の上下動はほぼ抑制され、浮体１１は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１１の上部空間（空気室）１８に入り込む海水は、出入りの流体抵抗が無視できる程度に充分な開口面積を設けてある。そのために、空気室１８の海面は、波の上下動に伴なって上下方向に変動し、その変動に伴なって浮体１１に対して相対的に空気室１８と大気中の外気との間で空気タービン２５を介して空気のやりとりが行なわれる。

すなわち、海水の流出入により浮体１１内の水面、すなわち振動水柱２０の水面が上下動し、空気室１８の空気が空気タービン２５を通して外部（大気中）に出入りされる。

浮体１１の下端部は下方に開放されており、浮体１１内に海水が自由に出入りできる。浮体１１の最下部には浮体１１の重力Ｇを調節するバラスト１４が設けられ、このバラスト１４により海中（水中）で浮体１１を略鉛直状態に保持することができる。バラスト１４は、浮体１１の昇降（上下動）を抑制するために円環状あるいは外周フランジ状に構成され、必要に応じてスリーブ状突起１５の助けを受ける。

他方、波力発電装置１０の浮体１１は頂部が海面から上方に突出しており、海面上に突出する浮体１１の頂部には、波力発電用タービンを構成する空気タービン２５およびこの空気タービン２５により回転駆動される発電手段としての発電機１２が設けられる。発電機１２の発電作用により得られた電力は図示しない電力ケーブルを介して外部に取り出される。

この波力発電装置１０において、浮体１１は浮力Ｆと重力Ｇとの釣合いにより、空気室（エアチャンバ）１８に所定の空間を残すように海中に設置される。また、波の上下動に伴なって水面が上下動しても、浮体１１は安定的に静止状態に保たれるように、浮体１１の下端部にバラスト１４が設けられる。このバラスト１４は好ましくは円環（リングあるいはトーラス）状あるいは外周フランジ状に構成される。

波の上昇に伴なって空気室１８の海面が上昇すると、波力発電装置１０の空気室１８内空気は浮体１１の上端開口部より外部へ流出する。また、波の下降に伴なって空気室１８の海面が下降すると、浮体１１の上端開口部より空気室１８が負圧となって外気が流入する。波力発電装置１０は空気室１８への空気の流出入により空気タービン２５が駆動され、発電機１２が回転駆動して発電が行なわれる。

一方、空気タービン２５は、空気室１８から空気が外気中に流出されるとき、また、空気室１８に空気（外気）が流入するとき、回転翼である動翼２７は、いずれの場合にも、後述するように同一方向に回転（タービン）駆動される。空気タービン２５は、波の上下動に伴ない、空気室１８に流出入する空気流の流れにより、動翼２７が同一方向に回転駆動される。

空気タービン２５の回転駆動力は、タービン軸２６を介して発電機１２に伝達され、この発電機１２を回転駆動させる。発電機１２の回転駆動により、発電が開始され、外部に必要な電力が取り出される。

この波力発電装置１０は、波の上下動いずれの場合にも、波力発電用タービンを駆動させて発電作用を行なうことができ、波のエネルギを電気エネルギに効率よく能率的に変換することができる。

［第１の実施形態］
本発明に係る波力発電装置の第１実施形態を図４ないし図７を参照して説明する。

図４は、本発明に係る波力発電装置に備えられる波力発電用タービンを簡略的に示す構成図である。図１に示される波力発電装置と同じ構成には同一符号を付して説明する。この波力発電用タービンは輻流型空気タービン２５を構成する。この空気タービン２５を備えた波力発電装置１０は、プラスチック等の樹脂材料あるいはステンレス鋼等の鋼鉄材料で形成された細長い円筒形状の浮体１１を有する。

浮体１１は海上（水上）に係留ケーブル、ワイヤあるいはリンク部材３０により陸地あるいは船体に係留可能に設けられる。浮体１１は岸壁に固定された円筒形状の筐体で構成してもよい。筐体を固定した場合には、固定水柱２１やバラスト１４等は不要となる。

浮体１１は、筒状ブロック３１を着脱自在に連結して組み立てることができ、所要数の筒状ブロック３１を形状に組み立てることにより、軸方向長さを調節することができる。浮体１１は直径Ｄが数１０ｃｍ〜数ｍ、好ましくは１ｍφ程度に構成され、軸方向長さＬが数１０ｍ、例えば２０ｍ程度に形成される。

浮体１１の途中には、浮力Ｆを調節する浮力調整室１３が設けられ、この浮力調整室１３の上端部は有底筒状ブロックあるいは中仕切板１６により仕切られる。 仕切られた中仕切板１６の上部に空気室１８が形成される一方、複数の開口１７が浮体１１の側壁に周方向に形成され、開口１７を通じて浮体１１内に海水が出入りされ、浮体１１内で水面が上下動する振動水柱２０を構成している。

また、浮体１１の頂部に波力発電装置１０が設置される。波力発電装置１０は発電手段としての発電機１２と波力発電用タービンを構成する輻流型空気タービン２５とが設けられる。この空気タービン２５は浮体１１の頂部に据え付けられ、固定される。

浮体１１の頂部に据え付けられる空気タービン２５は、図５ないし図７に示すように構成される。空気タービン２５は、浮体１１の頂部に据え付けられるタービンケーシング３５を有する。タービンケーシング３５は、天板（蓋）付き筒状の本体上半ケーシング３５ａと有底筒状の本体下半ケーシング３５ｂとから上下２分割構造に構成される。本体上半ケーシング３５ａと本体下半ケーシング３５ｂと合せてタービンケーシング３５が構成され、タービンケーシング３５はケーシング内部にチャンバ３６を形成している。

タービンケーシング３５内には、図５および図６に示すように、空気流の流出入に伴い、所要の昇降ストローク分、上下動する中空筒（円筒）状あるいは中空ブロック状のフローティングチェスト３７が収容される。フローティングチェスト３７は、タービンケーシング３５のチャンバ３６内をボス形状の上下対の筒状スリーブ３８，３９に案内されて昇降する。一方の筒状スリーブ３８はタービンケーシング３５の天板中央部に垂設される一方、他方の筒状スリーブ３９はタービンケーシング３５の底板中央部に立設される。筒状スリーブ３８，３９は共通の軸線を有するように上下に対向してタービンケーシング３５内に固定される。

また、タービンケーシング３５の内周壁には、トーラス状あるいはリング状をなす浮上（フローティング）状態のノズルリング組立体４０が放射状のサポートフレーム４１を介して上下方向中央部に固定される。サポートフレーム４１は上下に対をなして複数対が周方向に間隔をおいて設けられ、ノズルリング組立体４０をタービンケーシング３５内に固定し、安定的に格納している。ノズルリング組立体４０は静翼を構成し、かつタービンケーシング３５内の中央部に浮上状態で収容され、平面視トーラス状あるいはリング状に組み立てられる。

ノズルリング組立体４０は、対をなすノズルリング上板４３ａとノズルリング下板４３ｂとの間に多数のノズルブレード４４が設けられて、周方向に固定のノズル列が形成され、一体的に組み立てられる。多数のノズルブレード４４は、図７に示すように周方向に等ピッチで配設され、フローティングノズルが構成される。各ノズルブレード４４は、平面視で内周側のノズル出口側が放射方向に対し所要の角度をなして反時計方向を向くように配設される。具体的には、静翼を構成するノズルリング組立体４０は、外周側のノズル入口側から内周側のノズル出口側に向って、図７の平面視で、反時計方向に一方向の空気流れが生ずるように配設される。

また、ノズルリング組立体４０の外周側には、仕切板を兼ねるリングプレート４６が昇降可能にかつフローティングチェスト３７と一体的に設けられる。リングプレート４６はリング状あるいはワッシャ状の仕切板で、フローティングチェスト３７に水平方向に設けられ、フローティングチェスト３７を上部チェスト３７ａと下部チェスト３７ｂに仕切っている。リングプレート４６はノズルリング組立体４０の外周部において、固定されたノズルリング上板４３ａとノズルリング下板４３ｂとの間をフローティングチェスト３７と一体に昇降ストロークする。フローティングチェスト３７は上昇位置および下降位置をとるとき、リングプレート４６は、内周側および外周側がタービンケーシング３５の内周壁およびノズルリング組立体４０の外周壁とリング状のパッキン４７ａ，４７ｂでそれぞれ気密に保持される。パッキン４７ａ，４７ｂはタービンケーシング３５の内周壁とノズルリング上板４３ａあるいは固定設置のノズルリング下板４３ｂとの間を気密に保持している。

また、リングプレート４６は固定設置のノズルリング組立体４０のノズルリング上板４３ａとノズルリング下板４３ｂとの間をスムーズに昇降するように、タービンケーシング３５の内周壁は周方向に凹設される。ノズルリング上板４３ａの外周部は上方に向って拡開するように傾斜するテーパ状傾斜面が形成される。

しかして、フローティングチェスト３７と仕切板としてのリングプレート４６は、ピストン形状の空気流制御機構４８を構成している。この空気流制御機構４８は、タービンケーシング３５内で上昇位置と下降位置との間を、フローティングチェスト３７やリングプレート４６と一体的に昇降ストロークするようになっている。空気流制御機構４８の昇降ストロークは、タービンケーシング３５の内周壁と上下の筒状スリーブ３７，３８に案内されて行なわれる。

空気流制御機構４８は、ノズルリング組立体４０の外周部に吸気チャンバ６７を対向して形成しており、この空気チャンバ６７に大気中の外気からの空気流と空気室１８からの空気流が選択的に案内される。空気流制御機構４８は、フローティングチェスト３７とリングプレート（仕切板）４６の昇降により、吸気チャンバ６７に外気からの空気流と空気室１８からの空気流とを切換可能に選択的に流入させている。

さらに、ノズルリング組立体４０内に対向して、動翼を構成する輻流型羽根車５０が回転自在に設けられる。羽根車５０は、図５および図６に示すようにボス部５０ａが発電機のタービン軸２６に回転一体に装着され、フローティングチェスト３７内に収納される。タービン軸２６は、タービンケーシング３５に固定された上方の筒状スリーブ３８と下方の筒状スリーブ３９により、軸受４９を介して回転自在に支持される。

輻流型羽根車５０は、動翼の内周側に中空部５１が形成され、この中空部５１の上下部に複数の流出口５２ａ，５２ｂがそれぞれ形成される。

羽根車５０は、全体的には円盤状、あるいはトーラス状に形成される。羽根車５０のロータリブレード５８は、静翼を構成するノズルリング組立体４０の各ノズルブレード４４に対向して内周側に配列される。各ロータリブレード５３は、羽根車５０の外周に沿って周方向に等ピッチに、かつ平面視で半径方向内方側が所要の角度だけ時計方向を向くように配設される。しかも、羽根車５０は図７の平面視において、空気の流れが反時計方向に生じるように設けられる。

一方、筒状スリーブ３８，３９は、タービンケーシング３５の頂板および底板から上下方向に延び、かつ羽根車５０側近傍まで延びて終端し、円筒状あるいはボックス状フローティングチェスト３７の昇降をガイドしている。さらに、上方の筒状スリーブ３８は、ディスク状の上方円板５５の昇降をガイドしており、下方の筒状スリーブ３９は、ディスク状の下方円板５６の昇降をガイドしている。

上方円板５５は、フローティングチェスト３７の内周側に、大きな開口面積を有する頂部流出口５７が閉塞可能に覆っており、頂部流出口５７は、フローティングチェスト３７の頂板（上板）に円周方向に沿って複数個形成される。

また、下方円板５６は、フローティングチェスト３７の内周側に大きな開口面積を有する底部流出口５８を閉塞可能に覆っており、底部流出口５８は、フローティングチェスト３７の底板（下板）に複数個同様に形成される。さらに、フローティングチェスト３７の外周部には、上方側に上部開口６０が、下方側に下部開口６１がそれぞれ形成される。

さらに、タービンケーシング３５の頂部には、複数の頂部開口６３が大きな開口面積を有して形成される一方、タービンケーシング３５の底部には、複数の底部開口が大きな開口面積を有して形成される。

なお、図５および図６において、符号６６はタービン軸２６と筒状スリーブ３８の間のギャップである。

フローティングチェスト３７の上下に昇降自在に設けられる上方円板５５および下方円板５６は、その自重と空気流の作用により空気流（反力）の反転の初期にフローティングチェスト３７の動きに先行して昇降し、フローティングチェスト３７の開口部５７，５８を選択的に閉鎖するようになっている。

空気流が、図５に矢印で示すように、タービンケーシング３５内に下方から流入する場合には、下方円板５６がフローティングチェスト３７の底部流出口５８を閉じ、上方円板５５は空気流の作用により、重力作用に抗して筒状スリーブ３８にガイドされて押し上げられ、フローティングチェスト３７の頂部流出口５７を開口させる。

また、図６に示すように、外気からの空気流が作用する場合には、上方円板５５は自重と空気流の流れにより下降し、フローティングチェスト３７の頂部流出口５７を閉じる。このときには、下方円板５６は同様にして下降し、フローティングチェスト３７の底部流出口５８を開口させる。

したがって、空気タービン２５は、空気流が図５に示すように空気室１８（図４参照）から大気中に流出する場合には、フローティングチェスト３７は頂部流出口５７が開口し、底部流出口５８が閉じる。したがって、空気室１８内の空気流は、吸気チャンバ６７からノズルリング組立体４０および回転翼（羽根車）５０を通って内周側に流入し、流出口５２ａからフローティングチェスト３７の頂部流出口５７と上部開口６０を通して流出する。

また、図６に示すように空気流が生じる場合には、フローティングチェスト３７の頂部流出口５７が閉じ、底部流出口５８が開く。この場合には、フローティングチェスト３７の底部流出口５８を通して外気が空気室１８に主に流入するようになっている。

この波力発電装置は、図５に示すように、空気室１８の空気が大気中に流出する場合も、また、図６に示すように、外気が空気室１８に流入する場合にも、空気の往復流の（流出入）方向如何に関わらず、空気タービン２５は常に一定の方向に回転し、タービン駆動されるようになっている。

次に、波力発電装置１０に備えられる波力発電用タービンの作用を説明する。

波力発電装置１０は、海の波の上下運動に基づく波力（波浪）エネルギを電気エネルギに変換して取り出す波力発電に用いられ、波浪エネルギ変換システムとして機能する。波力発電装置１０は浮体１１の海上に浮上する部分に据え付けられる。

波力発電装置１０には、浮体１１の頂部に据え付けられる波力発電用タービンとしての空気タービン２５を備える。この空気タービン２５は浮体１１の上部に形成される空気室１８内の空気の出入りにより生じる空気流によって回転駆動され、タービン軸２６を介して発電機１２を駆動させ、発電に供するようになっている。

この空気タービン２５は、波長によって生じる振動水柱２０（図４参照）の上下動により、空気室１８の内部と外部（大気中）との間に発生する空気の往復流を利用し、この空気流により空気タービン２５を回転駆動させるものである。すなわち、振動水柱２０の上下動により発生する空気流を利用して空気タービン２５を回転駆動させるものである。

図４において、海の波の上昇により、浮体１１の空気室１８にその開口１７を通して海水が流入すると、空気室１８内の振動水柱２０の海面（水面）が上昇する。この波動水柱２０の海面の上昇により発生する空気流の作用により、図５に示すように、下方円板５６は押し上げられてフローティングチェスト３７の底部流出口５８を閉鎖し、それに少し遅れてフローティングチェスト３１およびリングプレート４６も、上昇し、図５に示すように上昇位置にセットされる。この上昇位置でリングプレート４６は海面上昇による空気流をノズルリング組立体４０に導く吸気チャンバ６７を外周側に形成し、フローティングチェスト３７の上部チェスト３７ａ側は羽根車５０上面の流出口５２ａから、海面上昇による空気流を外気中へ逃がす空間（排気チャンバ６８）を形成する。

ノズルリング組立体４０の各ノズル口は空気流を動翼を構成する輻流型羽根車５０の外周部に向けて、各ノズル口から放射方向内側に、具体的には半径方向に対し反時計方向に所要の角度をなして吹き出させる。この吹出しにより羽根車５０は図７において矢印Ａ方向（反時計方向）に回転せしめられ、タービン軸２６を回転駆動させる。

タービン軸２６の回転駆動により、発電機１２が駆動され、発電に供される。発電機１２の発電により得られた電力は図示しないケーブルを介して外部に取り出される。

また、動翼としての羽根車５０を回転駆動した空気流は、続いて図５に示すように羽根車５０の頂部流出口５２ａから排気チャンバ６８を通り、フローティングチェスト３７の頂部流出口５７や頂部開口６０を経て外気中に放出される。

浮体１１内に形成される振動水柱２０の上昇運動が停止すると、上方円板５５は自重によりフローティングチェスト３７の開口部５７を閉鎖するように下方に摺動する。この下降ストロークは、外気が空気タービン２５を介して（負圧状態の）空気室１８に流入する場合には、その空気流および負圧の作用により押下げ作用が助長され、図６に示すように、フローティングチェスト３７およびリングプレート４６が下降位置にスムーズにセットされ、吸気チャンバ６７および羽根車下面に排気チャンバ６８を形成する。

吸気チャンバ６７および排気チャンバ６８が形成された状態で、振動水柱２０の海面がさらに下降すると、空気室１８は負圧となって、外気は、タービンケーシング３７の頂部開口６３からケーシングチャンバ３６を経てフローティングチェスト３７の頂部開口６０から吸気チャンバ６７を通り動翼を構成する羽根車５０に吹き出される。

羽根車５０に吹き出される外気（空気流）は、ノズルブレード４４の吹出角度が図７に示すように半径方向内方に対し反時計方向を向くので、動翼の羽根車５０は反時計方向に回動し、タービン軸２６を介して発電機１２を回転駆動させる。

空気タービン２５の羽根車５０を回転駆動した外気は、続いて図６に示す羽根車５０の底部流出口５２ｂから排気チャンバ６８を通り、底部流出口５８あるいは底部開口６１を経て空気室１８内に流入せしめられる。

すなわち、空気タービン２５の動翼は、浮体１１の空気室１８から空気流が外気に流出する場合も、外気が空気タービン２５を通して空気室１８に流入する場合にも、図７の平面視において、羽根車５０は常に同じ矢印Ａで示す方向に回転せしめられる。つまり動翼は、海面の昇降にかかわらず矢印Ａ方向に回転駆動させることができる。

浮体１１の空気室１８内の空気流は、このようにして、波の上下動により、流出入が繰り返され、振動水柱２０は波の波長と所要の位相差をもって上下動せしめられる。空気流の流出入が生じても、空気タービン２５の羽根車５０は常に同じ方向に回転駆動されるので、羽根車５０の回転駆動を能率的にかつ効率よく行なうことができる。

さらに、波力発電装置１０の発電機１２を駆動させる波力発電用タービン２５は、筒状形状の浮体１１の頂部に設けられる。波力発電用タービン２５は、浮体１１内で振動水柱２０上に形成される空気室１８を大気中外気と連通させるタービンケーシング３５と、このタービンケーシング３５内に格納され、静翼としてのトーラス状のノズルから吹き出される空気流により回転駆動される軸流型羽根車５０とを有する。羽根車５０はタービン軸２６と回転一体に設けられて動翼として機能する。

静翼としてのノズルリング組立体４０はタービンケーシング３５内に格納されて固定される。ノズルリング組立体４０に対して、空気流制御機構４８がタービンケーシング３５内に昇降自在に設けられる。この空気流制御機構４８は、タービンケーシング３５内で上昇位置と下降位置との間を昇降可能で、かつタービンケーシング３５とリングプレート４６の気密手段により気密に保持されるフローティングチェスト３７を有する。

フローティングチェスト３７は、リング状あるいはワッシャ状の仕切板（リングプレート４６）が水平方向に設けられて内部を上部チェスト３７ａと下部チェスト３７ｂに仕切っている。波が上昇または下降するとき、ノズルリング組立体４０の上方あるいは下方に位置するフローティングチェスト３７の外周部である上部チェスト３７ａまたは下部チェスト３７ｂの吹出口として機能する。

また、フローティングチェスト３７は、空気室１８から流出する空気流により上昇し、空気室に流入する空気流により下降ストロークするピストン形状に構成される。

フローティングチェスト３７の頂部側と底部側に２枚の円板５５，５６が設けられる。この円板５５，５６は自重と空気流によりフローティングチェスト３７の動きに先行して昇降し、フローティングチェスト３７の内周側開口部５７または５８を閉鎖させ、これによりフローティングチェスト３７を確実に速く昇降させる機能を有する。

なお、この空気タービン２５において、フローティングチェスト３７が昇降し、上昇位置にきたとき、フローティングチェスト３７の底部流出口５８は下方円板５６により閉塞される（図５参照）。また、フローティングチェスト３７が下降し、下降位置をとるとき、フローティングチェスト３７の頂部流出口５７は上方円板５５により閉塞される（図６参照）。

また、この波力発電装置１０は、空気流の流れの方向が反転しても、フローティングチェスト３７を備えた空気タービン２５を用いることにより設計の自由度が飛躍的に増大し、高効率で能率的な発電が可能になる。

さらに、図４に示される水柱振動方式の波力発電装置１０において、波力発電用タービン２５を適宜配列あるいは配置された個々の浮体１１上に複数台搭載し、各タービンケーシング３５の下部に自動制御方式の開閉弁、例えば蝶型弁を設け、各開閉弁を連鎖状に順次連動させて開閉作動させてもよい。

この場合には、個々の浮体１１の空気室１８の圧力変動に応じて蝶型弁等の開閉弁の開閉制御を、図示しない制御機構を用いて順次制御し、波力発電用タービン２５のタービン駆動を、高効率領域で運転させるようにしてもよい。前記制御機構は、複数の波力発電用タービン２５の各回転速度あるいは発電機１２の発電電圧を監視して各蝶型弁等の開閉弁の開閉制御を行なうようにしてもよい。

図４〜図７の第１実施形態に示された波力発電用タービン２５は、タービンケーシング３５内に所要の昇降ストローク分昇降自在にピストン状の空気流制御機構４８が収容される。空気流制御機構４８は、フローティングチェスト３７と仕切板のリングプレート４６からフローティング状態で昇降可能な偏平筒状あるいはスリーブ状のフレーム組立構造に構成される。空気流制御機構４８は、固定設置された静翼としての単一のノズルリング組立体４０と動翼としての輻流型羽根車５０とを収容し、これらを覆っている。

従来は、フローティングチェストに相当するフローティングノズルに海面上昇時に機能する静翼と海面下降時に機能する静翼とをそれぞれ個別に昇降自在に備えていたが、図５〜図７に示す波力発電用タービン２５は、静翼に相当するノズルリング組立体４０は１つでよく、しかも、タービンケーシング３５内に固定設置されているので、昇降するフローティング構造の空気流制御機構４８は軽量化が図れ、タービン構造が簡素化される。

また、空気流制御機構４８のフローティングチェスト３７には、内周側に頂部開口５７および底部開口５８がそれぞれ形成される。フローティングチェスト３７の頂部開口５７は、空気流の作用と自重で上方円板５５で上方から自動的に開閉自在に覆われ、底部開口５８も、空気流の作用と自重で下方から自動的に開閉される下方円板５６で覆われる。

しかして、図５に示すように、波力発電用タービン２５は、海面が上昇して空気室１８内の空気が流出する場合には、空気流の押圧作用で空気流制御機構４８の上昇に先立って下方円板５６が押し上げられ、フローティングチェスト３７の底部開口５８を閉塞させる。この閉塞により、空気流制御機構４８は空気流により大きな押上げ作用を受け、円滑かつスムーズに上昇して上昇位置に至る。このとき、上方円板５５は空気流の押上げ作用でフローティングチェスト３７の頂部開口５７から離れて上昇し、頂部開口（流出口）５７を大きく開口させる。

したがって、波力発電用タービン２５は、空気流が静翼としてのノズルリング組立体４０を通り、動翼としての輻流型羽根車５０を回転駆動させた後は、流出口５２ａから排気チャンバ６８に排出され、フローティングチェスト３７の頂部流出口５７および上部開口６０を通って円滑かつスムーズに流出される。この空気流はタービンケーシング３５の頂部開口６３から大気中に流出されるので、空気タービン２５の流路構造が簡素化される。

また、空気室１８に空気流が流入する場合には、図６に示すように構成される。空気タービン２５は、海面が下降して空気室１８に大気中の空気が流入する場合には、図６に示すように、上方円板５５に上方から空気流が作用し、自重と空気流の相乗作用で上方円板５５はスムーズに下降し、フローティングチェスト３７の頂部開口５７を自動的に閉塞させる。

この閉塞により、空気流制御機構４８はその自重と空気流による上方円板５５の押下げ作用により、スムーズにかつ強制的に下降作用を受け、下降位置に至る。このとき、下方円板５６は、空気流の押下げ作用と自重による落下作用によりフローティングチェスト３７の底部開口５８から離れて落下し、底部開口（流出口）５８を開放させる。

したがって、空気タービン２５を通る空気流は、ノズルリング組立体４０から吹き出されて、動翼としての輻流型羽根車５０を回転駆動させる。この空気流は、流出口５２ｂから図６に示す排出チャンバ６８に排出され、続いて、フローティングチェスト３７の底部流出口５８、タービンケーシング３５の底部開口６５を通って空気室１８に案内される。海面が下降する場合も、海面が上昇する場合と同様に、空気タービン２５の流路構造が簡素化され、大気中の空気は大きな流路抵抗を受けることなく、空気室１８に円滑かつスムーズに流入させることができる。

第１実施形態に示された波力発電用タービン２５は、海面上昇時に機能する静翼と、海面下降時に機能する静翼とを、単一のノズルリング組立体４０で共用させることができる。しかも、ノズルリング組立体４０はタービンケーシング３５内に固定され、昇降する空気流制御機構４８側に設ける必要がない。固定設置のノズルリング組立体４０は、フローティングチェスト３７等の空気流制御機構４８から独立しているので、空気流制御機構４８の構造が簡素化され、軽量化される。

昇降ストロークする空気流制御機構４８を、固定設置の静翼であるノズルリング組立体４０から切り離して独立して設置でき、空気流制御機構４８の重量軽減を図ることができ、海面の上昇、下降時における空気流の切換え追従性が迅速でかつ良好となる。また、静翼を構成するノズルリング組立体４０は固定設置されるので、静翼の機械的、物理的強度を向上させることができて機械的耐久性が向上し、タービン駆動効率を向上させることができる。

また、この波力発電用タービン２５は、輻流型羽根車５０から排気される空気流の排気チャンバ側に静翼をなくすことができ、タービン構造の簡素化を図ることができる。しかも、フローティングチェスト３７内周側の頂部開口５７および底部開口５８に、自重や空気流作用により自動的に開閉する軽量な上方円板５５および下方円板５６をそれぞれ設け、羽根車５０の排気チャンバ６７に排出された空気流をフローティングチェスト３７の頂部流出口５７や底部流出口５８からも排出させることができる。

したがって、波力発電用タービンは、空気流の流れの流路構造やタービン構造が簡素化され、製作、設置コストを低減させることができ、メンテナンス性や安全性に優れ、タービン駆動効率を向上させることができる。

［第２の実施形態］
図８および図９は、本発明に係る波力発電用タービンの第２実施形態を説明するものである。

この実施形態に示された波力発電用タービンを説明するに当り、第１実施形態に示されたものと同じ構成には、同一符号を付して重複説明を省略あるいは簡素化する。

第２実施形態に示された波力発電用タービン（空気タービン）２５Ａは、タービンケーシング３５とタービンケーシング３５内に収納される昇降自在な空気流制御機構４８Ａとを例えば弾性ゴム製のダイヤフラム７０で連結し、空気流制御機構４８Ａのフローティングチェスト３７を図８に示す上昇位置と図９に示す下降位置との間で昇降自在としたものである。

ダイヤフラム７０は、気密手段を構成し、タービンケーシング３５内をフローティングチェスト３７とともに上下に２分しており、静翼を構成する固定設置のノズルリング組立体４０と動翼を構成する輻流型羽根車５０との構成は、図５および図６に示すものと異ならない。ノズルリング組立体４０は、タービンケーシング３５の底板に支柱状のサポートフレーム４１で支持され、浮上状態に固定される。

この波力発電装置１０Ａの他の構成は、図４に示すものと異ならず、図４ないし図７に示された波力発電装置１０と同様の作用効果を奏する。

波力発電装置１０Ａに備えられる波力発電用タービンは、全体的な構成および作用は、第１実施形態に示された波力発電用タービンと異ならない。ただ、波力発電用タービンとしての空気タービン２５Ａは、空気流制御機構４８Ａの静翼を構成するフローティングチェスト３７の昇降をダイヤフラム７０で案内している点が、第１実施形態に示されたピストンタイプのフローティングチェスト３７と異なる。

なお、本発明の実施形態の説明においては、動翼を構成する羽根車が反時計方向に回転する例を示したが、ノズルリング組立体４０のノズルブレード４４および輻流型羽根車５０のロータブレード５３のレイアウト構成を変えることにより、羽根車５０は平面視で時計方向に回転させることもできる。

また、本発明の実施形態の説明では、静翼を構成する固定設置のノズルリング組立体４０と、動翼を構成する回転自在の輻流型羽根車５０は昇降することなく所要水平方向位置に設置される例を示した。この場合、羽根車５０はタービン軸２６と回転一体に連結される。

さらに、本発明に係る波力発電用タービンを備えた波力発電装置上に、所要以上の風力により作動する風力タービンとこの風力タービンで駆動される発電装置を設置し、波力発電装置と風力発電装置とを組み合わせて用いてもよい。

一方、台風による暴風のように、一定以上の風力を有する場合、この風力を例えばブイに設けた風力計および風力タービンの回転量で検出し、浮体の浮力調整室を調節し、浮体および波力発電装置を海水中に所要の深さだけ沈めるようにしてもよい。浮力調整室による浮力は、外部から空気を注出入させることにより、自由に調節することができる。

また、浮体上に設置される波力発電用タービンは、単体で構成した例を示したが、複数の浮体を連結手段で互いに連結して連鎖状あるいはクラスタ状に構成し、各浮体の頂部に発電手段をそれぞれ設けたものでもよい。

［第３の実施形態］
図１０〜図１２は、本発明に係る波力発電用タービンの第３実施形態を説明するものである。

この実施形態に示された波力発電用タービン２５Ｂを説明するに当り、第１実施形態に示されたものと同じ構成には、同一符号を付し重複説明を省略あるいは簡素化する。

第３実施形態に示された波力発電用タービン（空気タービン）２５Ｂは、空気流制御機構４８Ｂを構成するリングプレート４６が、フローティングチェスト３７Ｂから独立して単独で昇降運動できるようにした構成が、第１実施形態に示された空気流制御機構４８と基本的に相違する。

リングプレート４６は、リング状あるいはワッシャ状の仕切板である。このリングプレート４６は、フローティングチェスト３７Ｂから切り離されて設けられる。フローティングチェスト３７Ｂは、上方ディスクからなる上部チェスト３７ａと下方ディスクからなる下部チェスト３７ｂとを有する。上部チェスト３７ａおよび下部チェスト３７ｂは外周部を複数本のブリッジ（図示せず）で連結して円環状あるいはトーラス状に一体的に構成しても、また、個別に独立して設けてもよい。

フローティングチェスト３７Ｂの上部チェスト３７ａは、ストッパを兼ねる保持脚７３と静翼としてのノズルリング組立体４０の間を昇降ストロークし、また、下部チェスト３７ｂは、ストッパを兼ねる支持脚７４とノズルリング組立体４０の間を昇降ストロークする。上部チェスト３７ａと下部チェスト３７ｂはフレーム組立構造に構成して一体的に昇降ストロークしてもよい。

この波力発電装置１０Ｂの他の構成は、図４に示すものと実質的に異ならず、図４〜図７に示された波力発電装置１０と実質的に同様な構成を有し、同じ作用効果を奏する。

波力発電装置１０Ｂに備えられる波力発電用タービン２５Ｂは、全体的な構成は、第１実施形態に示された波力発電用タービン２５と実質的に同様であるが、この波力発電用タービン２５Ｂは、フローティングチェスト３７Ｂの水平方向に設けられたリング状あるいはワッシャ状リングプレート（仕切板）４６が単独で昇降運動できるようになっている。リングプレート４６は、フローティングチェスト３７Ｂの外周部から切り離されて独立し、静翼を構成するノズルリング組立体４０のノズルリング上板４３ａとノズルリング下板４３ｂとの間を昇降ストロークするようになっている。

リングプレート４６が上昇位置と下降位置との間を、フローティングチェスト３７Ｂから独立して昇降することで、上部チェスト３７ａと下部チェスト３７ｂは外周側を上部開口６０および下部開口６１として大きく開口させることで、その分、流路抵抗を軽減させることができる。

なお、本発明に係る波力発電用タービンは、空気を作動流体として取り扱う例を説明したが、作動流体は、空気に限らず海水等の水であっても、同様な作動原理にてタービン駆動させることができる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ 波力発電装置
１１ 浮体
１２ 発電機（発電手段）
１３ 浮力調整室
１４ バラスト（重錘）
１５ 突起部
１６ 中仕切板
１７ 開口
１８ 空気量（エアチャンバ）
２０ 振動水柱
２１ 固定水柱
２５，２５Ａ，２５Ｂ 空気タービン（波力発電用タービン）
２６ タービン軸
２７ 動翼（回転翼，輻流型羽根車）
３０ リンク部材（係留ケーブル，ワイヤ）
３１ 筒状ブロック
３２ サポート部材
３５ タービンケーシング
３５ａ 本体上半ケーシング
３５ｂ 本体下半ケーシング
３６ チャンバ
３７，３７Ａ，３７Ｂ フローティングチェスト
３７ａ 上部チェスト
３７ｂ 下部チェスト
３８，３９ 筒状スリーブ
４０ ノズルリング組立体（静翼）
４１ サポートフレーム
４３ａ ノズルリング上板
４３ｂ ノズルリング下板
４４ ノズルブレード
４６ リングプレート（仕切板）
４７ａ 外周側パッキン
４７ｂ 内周側パッキン
４８，４８Ａ，４８Ｂ 空気流制御機構
４９ 軸受
５０ 軸流型羽根車（動翼）
５１ ボス部
５２ 中壁部
５２ａ，５２ｂ 流出口
５３ ロータブレード
５５ 上方円板
５６ 下方円板
５７ フローティングチェストの頂部流出口（頂部開口）
５８ フローティングチェストの底部流出口（底部開口）
６０ 上部開口
６１ 下部開口
６３ タービンケーシングの頂部開口
６４ タービンケーシングの底部開口
６７ 吸気チャンバ
６８ 排気チェンバ
７０ ダイヤフラム

Claims (10)

1. 波力発電装置の発電機を駆動する波力発電用タービンにおいて、
   筒状形状の浮体の頂部に設けられ、この浮体内で振動水柱上に形成される空気室と外気とを連通させるタービンケーシングと、
   このタービンケーシング内に格納され、静翼としてのトーラス状のノズルリング組立体と、
   このノズルリング組立体から吹き出される空気流により回転駆動され、タービン軸と回転一体に連結された動翼としての羽根車と、
   前記ノズルリング組立体の外周部に、外気からの空気流と前記空気室からの空気流を選択的に案内するように、前記タービンケーシング内で上昇位置と下降位置との間を昇降ストロークするピストン形状の空気流制御機構とを有することを特徴とする波力発電用タービン。
2. 前記空気流制御機構は、
   前記タービンケーシング内で上昇位置と下降位置との間を昇降可能なフローティングチェストと、
   このフローティングチェストの上昇位置または下降位置で、前記ノズルリング組立体の外周側の吸気チャンバを、前記空気室または外気と連通可能に仕切る水平方向の仕切板とが備えられた請求項１に記載の波力発電用タービン。
3. 前記フローティングチェストはリング状あるいはワッシャ状の仕切板が水平方向に設けられて上部チェストと下部チェストに仕切られ、
   前記フローティングチェストが上昇位置または下降位置をとるとき、前記ノズルリング組立体の外周部に上部チェストまたは下部チェストの吹出口が向くように対向せしめられる請求項２に記載の波力発電用タービン。
4. 前記タービンケーシング内を昇降する前記フローティングチェストは前記空気室から流出する空気流により上昇ストロークし、前記空気室に流入する空気流により下降ストロークするピストン形状に構成された請求項２に記載の波力発電用タービン。
5. 前記フローティングチェスト上側と下側に前記フローティングチェストの内周側開口部を閉塞可能な２枚の円板がそれぞれ設けられ、この円板は自重と空気流の作用により前記フローティングチェストの動きに先行して昇降し、前記フローティングチェストの内周側開口部を閉鎖することにより、前記フローティングチェストにより大きい昇降方向の移動力を発生させるように構成したことを特徴とする請求項４に記載の波力発電用タービン。
6. 前記フローティングチェストは前記タービンケーシング内を上下に仕切るダイヤフラムにより前記フローティングチェストの昇降が案内される請求項２に記載の波力発電用タービン。
7. 前記フローティングチェストの水平方向に設けられたリング状あるいはワッシャ状の仕切板が単独に上下運動できるようにフローティングチェストの外周部分から切り離されていることを特徴とする請求項２に記載の波力発電用タービン。
8. 前記タービンケーシングの下部に自動制御方式の開閉弁を設けた請求項１に記載の波力発電用タービン。
9. 筒状形状の浮体上に波力発電用タービンと発電機を備えた水柱振動方式の波力発電装置において、
   請求項６に記載の波力発電用タービンを個々の浮体上にそれぞれ搭載し、前記各浮体内の空気室の圧力変動に応じて前記開閉弁を順次開閉して前記波力発電用タービンを高効率領域で運転させる制御機構を備えたことを特徴とする波力発電装置。
10. 前記制御機構は個々の波力発電用タービンの回転速度または前記発電機の発生電圧によって前記開閉弁の開閉制御を個々に行う請求項７に記載の波力発電装置。

Images