JP2012002218A

JP2012002218A - 洋上型波力発電装置

Info

Publication number: JP2012002218A
Application number: JP2010153409A
Authority: JP
Inventors: Tomiji Watabe; 富治渡部; Hideki Kawai; 秀樹河合; Saburo Urashima; 三朗浦島
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】従来技術のＯＷＣ発電装置は、空気の圧縮性を介した動力伝達で耐久性は高いがエネルギー取得効率は極めて低い。高効率である可動物体型は耐久性確保と高製造コストとに難点が有る。
【解決手段】波力により空気を圧縮したり大気から吸気したりする空気室の水面下での下方部と、波浪に対向する波力発電装置前端水面下に開口した開口部とを密閉水平水路で連結し、空気室のばね常数を小さくする一方で、空気室に波動を生じさせる海水の質量を発電装置前方の海水も直接的に関与することで増大させ、この海水塊運動の固有振動周期を有義波の周期と同じレベルになるよう長くして両者が共振することで、波力発電装置内部に波力を無駄なく取り入れることを可能とすることに加え、空気室には一方向弁を介して大容量型吸気タンクと同排気タンクを設け、これらが大気に連通するダクト内部に夫々定速回転型タービン発電機を設けた。
【選択図】図３

Description

本発明の洋上型波力発電装置は、波力エネルギー密度が高い沖合領域での設置に適した大型波力発電装置に関する。沖合いは装置設置に関する制約が少ないので、今後の大型波力発電システム開拓が期待できる場所である。沖合いの豊富な波力エネルギー活用には、単機大容量型の波力発電装置が適しており、別けても本発明は経済性を追求する観点を重視し、エネルギー変換効率が高く、製造コストも安価で、尚且つ保全性や耐久性に優れた新形式の洋上型波力発電装置に関する。

波力エネルギーは、風力エネルギーよりも常時は高いエネルギー密度を有するが、嵐のような暴風時のエネルギー密度は、風力よりはるかに低いレベルで飽和する。従って本質的に実用化しやすく、風力並みの利用が期待されながら、現実的には電力単価の壁を超えられず、小容量発電規模に留まっている。その第一の原因は、嵐対策の切り札として登場した振動水柱型波力発電装置（ＯＷＣ発電方式）の低効率性にある。第二の原因はその後に登場した可動物体型波力発電装置の高価な装置製造費用である。もしもＯＷＣの耐久性と可動物体型波力発電装置の高効率性とを併せ持つ発電装置が創出されれば、波力エネルギー利用を阻害する壁は解消すると考えられる。我が国だけに限れば、およそ３，４００万ｋｗ程度に見積もられる波力エネルギー賦存量は大きくないが、地球規模で観察すれば、我が国沿岸より何倍も波力の高い地域が多く有り、英国のように、波力エネルギーを国の主要エネルギー源候補の一つと看做す、多数の国々が存在している。実用性の高い波力発電装置を実現させることは、我が国だけの需要にこだわらず、地球規模での要請に応える経済活動である。特にインフラ整備が未発達で、資金力も乏しい開発途上国などは、波力発電システムの導入を心から待ち望んでいるものと考えられる。

ＯＷＣ発電方式は、波力エネルギーを空気エネルギーに変換してから、エアタービンを介し発電機駆動を行う。波力と発電機の間に介在する空気がクッション作用し、動力機構に及ぼす波力の衝撃力を大幅に緩和している。波力エネルギーは波動性なので、最初に空気は交流（往復流）エネルギーに変換され、その後直流（一方向流れ）に整流されてタービン駆動に使用される。この方式では、整流回路の弱点が指摘されており、現在のシステムに改良されている。即ち、空気の往復流中でも一方向に回転するタービン（ある種の整流機能を備えたタイプ）が発明され、整流回路そのものが不要になった。この成果により、ＯＷＣ発電方式の駆動系は大幅な簡素化を成し遂げている。然し乍ら、この簡素化が発電システム全体のエネルギー変換効率に対して、マイナスの影響を与える結果になってしまっている。［図１］には典型的な従来型ＯＷＣ発電装置の断面図を示す。

波力からのエネルギー取得効率を高くすることを狙った、可動物体型波力発電装置（ＭｏｖｉｎｇＢｏｄｙ）は、波力エネルギーが可動物体を直接駆動することで生まれる、可動物体の揺動運動を利用して発電する方式である。高効率ではあるが、可動物体に対する波力からの衝撃力は避けられない。可動物体の運動エネルギーは、設置されるケーソン内部等の可動物体周辺海水も一緒に運動することにより、ずば抜けた巨大さに特徴がある。揺動運動を行う可動物体とその周辺の海水が、波と同周期のゆっくりとした揺動運動を行うことで、空中を高速度で飛び交う高周波電磁波が波長の１／４の長さのアンテナのみに効率良く吸収されるアンテナの理論同様に、極めて高効率のエネルギー変換を可能としている。今日の技術では、こうして揺動運動物体に生ずる巨大運動エネルギーを、油圧変速機構により高速定常回転運動に変換し、発電機駆動を行う方式が一般的である。この可動物体の動力の出力部は揺動軸であり、油圧変速機との接合部は、巨大反力のもとで微速相対運動を行う構造であるから、油膜の形成が困難であり、従って極めて困難な潤滑条件に曝されることになる。この結果円滑な動力伝達には、慎重な技術対応が求められている。この点が、可動物体波力発電方式では、大型波力発電装置を実現させる上で避けられぬ関門の一つである。
日本国特許第３，４９３，１３０号公表特許公報（Ａ）特表２００９−５３７７１９号日本国特許第２，５３９，７４２号公表特許公報（Ａ）特表２００２−５２５４８９号公表特許公報（Ａ）特表２００６−５２２２７３号

本発明が解決しようとする第一の課題は、実用性を高める大型化が可能な波力発電装置を前提として、耐久性と高効率性とが両立する波力発電装置を創出し、世界的な需要の観点から新技術を提示することにある。従来型のＯＷＣ方式と同様に、空気をエネルギー媒体として耐久性確保はするが、更に一層のエネルギー取得効率向上を実現することを主要課題とする。

本発明が解決しようとする第二の課題は、大型の浮体を使用する洋上波力発電装置において、適切な波浪対応性を持たせることにより、嵐のような波力が大きくなる暴風時でも装置全体の耐久性と安定性とを向上させ、加えて発電効率の向上も同時に実現できる洋上型波力発電装置を創出することである。

効率の良い波力発電方式を目指す上では、海洋波の波動性に着目し、電波通信のアンテナ原理を応用することにより、高効率運転を実現させることができる。［特許文献３］で示したような、発明者が従来室蘭市において実証テストを行ってきた可動物体型波力発電装置は、世界最高の４２％のエネルギー取得効率を記録しているが、この方式は沖合いから海岸線に向かって押し寄せる進行波と、固定壁に衝突して進行方向を逆向きに変えて沖合いに引き返す後退波との干渉作用を活用し、定常波を発生させて略水平方向の運動エネルギーのみに波力が限定される位置で、可動物体揺動運動を行っている。この位置はアンテナの理論同様に固定壁から波の波長の１／４位置に相当し、ここに揺動する可動物体を設置することが最大のポイントになる。抑、波は無数に連なる水粒子が僅かな位相差（時間遅れ）で円運動を繰り返すことで、海面の波動が生じている。上下方向の位置エネルギー変動と、水平方向の運動エネルギー変動とを併せ持っている点が、高効率の波力発電装置を容易には実現できなくしている最大原因である。従って本発明においても、波力により揺動する可動物体の固有振動周期を海洋波周期に一致させ、可動物体が波と共振状態で揺動する状態を作ることが最大のポイントである。このための具体的な手段は、水平方向の波の運動エネルギーを導入する開口部分と、上下動する可動物体としての海水を保持する空間である空気室との距離を、波長の１／４程度の長さにすることが基本であった。発明者は更に、上下振動水柱で圧縮される空気のばね常数が高い点に注目し、単純な１／４波長長さという寸法にかなりの修正を加える方式を考案した。開口部から水平方向の運動エネルギーとして波力発電装置に流入する波力を、海水が上下動する空気室まで同一面積の水路で導くようにすると、空気室で上下動する海水の運動も［数１］で示す固有振動周期Ｔ_０で表現できる。［数１］におけるｍは可動物体となる水塊の質量であり、ｋ_１はこの水塊のばね常数、ｋ_２は空気室内空気によるばね常数である。ｋ_２を小さくしｍを大きくすることで、固有振動周期Ｔ_０を波の周期と等しくなるように長くして波との共振状態を実現している。ｍを大きくするには、水路内部の海水だけでなく、開口部前方の海水塊も附加水として加振力に加わることから、この附加水を加えることで、波との共振条件を容易に成立させる新方式である。こうして水塊の運動は開口部における波の水平方向運動速度と同一の速度で且つ、同一方向に増減することが基本である。例えば次の海水保持空間である空気室から開口部に海水が逆流する位相でも、開口部での波面の水平方向逆向き速度で開口部に向かって海水が流れることで、双方の共振状態を生み出し、波力発電装置に効率良く波浪エネルギーを取り入れることが可能となるからである。具体的に考察してみると、開口部での水平路の海水排出速度が波の速度よりも早くなる場合は、開口部付近で流量差に相当する波面上昇を招き、逆に遅くなる場合には波面の下降を招くというエネルギーの無駄が発生することになるからである。

第二のポイントは、可動物体の運動を利用して発電機駆動を行う際に、可動物体に働く負荷力の大きさが、可動物体に働く造波抵抗力と一致する状態にすることである。即ち、電磁気分野でインピーダンスマッチングと称される最適化手段である。このインピーダンスマッチングの手段は、波の周期に従って増減を繰り返す波浪エネルギーを、略一定のレベルで平準化するための手段であり、具体的には従来型ＯＷＣ装置とは格段に大容量の、大気との出入口を有する空気のタンクを設けることで実現できる。

従来型ＯＷＣ発電装置よりも格段にエネルギー取得効率が優れた、新方式波力発電装置を実現する上での第三の手段は、前記の空気を貯えるタンクを負圧となる吸入側と正圧となる排出側の二室に分断し、負圧による吸気側に設けるエアタービンと、正圧で大気に排出される排気側に設けるエアタービンの一対の動力変換装置で発電機を駆動させることである。このような発電装置を実現するには、中央部で上下動する水柱により気圧が上下する空間とその左右に配置される吸気側と排気側の両タンクとの間に、夫々独立した一対の一方向弁を設けることで、容易に実現する事ができる。

本発明における第二の課題である、大型浮体洋上波力発電装置における嵐時の耐久性と安全性の向上と、発電効率の更なる向上を図るための第四の手段は、出現率の高い主要波力発電対象波（有義波）の波長の１／２の長さを発電装置全長とし、浮体前部と後部の水面下の最下部位置に上下方向動揺ダンパーとしての水平板を設けると共に、後部端面にはこの後方側の水平板に直角で交じわる一方、開口から１／２波長の発電装置後端で垂直形状を保つ垂直板を、水平方向動揺（サージモーション）対応ダンパーとして強固に固定することである。

本発明の波力発電装置は基本的に、波力エネルギーから機械エネルギーに変換する際の媒体として、圧縮性を備えた空気を使用することから、波力の衝撃力を吸収したり緩和したりする機能が付与されている。この結果、機構上の面から製造コストを押し上げるような技術上の問題は無く、汎用的な低コスト部品類の集積で発電装置を製造できる。製造が困難な特殊型ポンプ等は不要である為に、製造工程の管理も容易で比較的自由になり、場合によっては予定変更の計画も立てやすくなる。従来のＯＷＣ発電装置とはこのような効果が共通しており、波力発電による発電コスト削減効果の前提となる、基本経済効果である。

本発明の波力発電装置では、従来型ＯＷＣ発電装置よりも大幅に波からのエネルギー取得効率を高めるための基本として、可動物体としての機能を果たす空気室内部の海水の上下運動の周期と、波の周期とを一致させて、共振現象による効率的なエネルギー吸収を図っている。このために波力発電装置内部に波力を導入するための開口部周辺で、波の水平方向移動速度と発電機内水平路海水速度の違いで生ずる、波面の付加的な上下動が殆ど無くなり、無駄なエネルギー消費現象を消滅させている。この点は、高効率波力発電を実現する基本効果を果たしている。

高効率波力発電実現のために実施した第二の手段としての、インピーダンスマッチングの結果として、±０．０１ＭＰａ程度の圧力でエアタービンを回転駆動する際の、圧力の波周期に伴う変動が極めて僅かになり、略一定圧力の定速度回転を実現できた。この結果として、タービン回転エネルギーの変動による効率の低下が無くなり、高効率波力発電を実現できた効果を齎す一因となり、一層の経済効果向上に役立っている。インピーダンスマッチングを図るために、大容量型エアタンクを採用しているので、このタンクが空気流の水分離作用をしており、従来型の嵐時に備えた緊急遮断弁が不要になり、コスト低減に加えて安全で保守が容易な波力発電装置とする効果が有る。

高効率波力発電装置実現の第三の手段である、大容量のエアタンクを負圧の吸入側と正圧の排出側とに二分して、夫々の大気との通用口に一対の発電用エアタービンを設置することにより、往復空気流中でも一方向に回転する特殊タービンを使用する必要が無くなり、前項の効果と併せて汎用型エアタービンの定速度運転で発電するので効率低下を防ぎ、製造コストの上昇も防げる二重の経済効果が発揮できている。

大型浮体を利用する本発明の洋上型波力発電装置では、発電装置の前端と後端の水面下に水平板を設けているので、発電装置全体となる浮体に揺動を齎すような波力が作用しても、この端部の水平板がヒーブモーションに対する抵抗力となり、揺動運動に対するブレーキの役割を果たしている。全長が１／２波長の発電装置の後端部に垂直に設けた面積が大き目の強固な垂直板も、発電装置の前面が波力から受ける水平方向の衝撃力に対して常に逆向きの波力が加わるので、サージモーション対応ダンパーとして抵抗する効果を発揮する。浮体としての発電装置全体が波力に対して安定した姿勢を維持できる結果、嵐時においても発電装置の耐久性と安定性の維持が可能であり、発電効率を高い状態に維持できる。加えて後端部の垂直板は、波力発電装置の前面に設けた波力導入の開口部で、水平方向水路よりも大き目の面積での波力導入で発電能力を高めることも可能とする。本発明の大型浮体は動揺が少なくなっているので、浮き防波堤としての利用も考えられる外、平板状のデッキを設置すれば、レジャー用その他の洋上基地としての兼用も可能となる。更に、水面下の最下部に設けた水平板によるダンピング作用で、浮体の上下方向動揺を少なくしたから、浮体係留に要する費用も低減できる経済効果を有している。特にＣＯ_２排出量の世界的増加で、海面上昇による国土消失を懸念するような島嶼諸国では、ＣＯ_２排出量が零に近い波力発電方式で発電し、ミネラル分が豊富な海洋深層水をこの低コスト電力によって多量に汲み上げることが実現すれば、植物性プランクトンの自然大増殖が可能となり、これを餌にする動物性プランクトン、更にこれを餌にする鰯のような魚類等の大増殖が食物連鎖で可能となり、健康食嗜好から世界的に需要が延びている魚類の魚穫増大で、島嶼諸国に大きな経済効果をもたらせる。前記の多項目に及ぶ効率向上対策効果の集積として、本発明により従来型ＯＷＣ発電方式の２．５倍程度のエネルギー取得効率の達成と、空気の圧縮性を利用した波力衝撃力とは無縁となる安全で耐久性の高い、洋上浮体による大容量型の実用性が極めて高くなる新発電方式を実現できる。汎用部品のみの使用による低コストで大容量型の波力発電装置の実現は、これまで殆ど本格的に実用化されていない波力発電方式を、風力発電のように世界中で実用化が期待できる自然エネルギー発電システムとする、大きな経済効果が期待できる。

発明を実施するための最良の形態・実施例

本発明を実施するための最良の形態としての実施例を、図面の説明により具体的に詳述する。［図２］は本発明洋上型波力発電装置の全体の平面図であり、洋上に浮かぶ浮体としての全体構造が把握しやすい図面である。浮体としての基本構造を構成する低圧側と高圧側の一対のエアタンク５及び１１が、中央部の上下動する海水を収納する空気室１を挟んで、一体的に強固に連結された構造である。洋上の波浪は左側から矢印で示すように、波力発電装置の中央に向かって右側の方向に流れていく構成である。この図面では上下方向となる開口部横方向位置が変化すると、自然界での波の位相が連続的に変化する傾向にあり、開放口３の寸法は適度に制限する必要がある。２００ｋｗクラスの大容量型である本発明実施例では、波との共振現象を効率向上手段としているので、開放口３は１０ｍとして、独立して作動する二セットの波力発電装置を側面で合体させた、２０ｍ開口幅の洋上型波力発電装置としている。横方向の長さである波力発電装置全長は、有義波の１／２の長さにする必要があるので、波長を５６ｍとし、発電装置全長は２８ｍにしている。前方に配置した高圧タンク１１は、隣接する空気室１と固定されており、この空気室１はさらに後方側の低圧タンク５を固定している。この低圧タンク５も高圧タンク１１と同一の容量にする必要が有り、そのために低圧タンク５は管路６で互いに連結された三基を一体的に利用する構造としている。連結梁１８はこの三基の低圧タンク５を水面下で連結しており、前方は空気室１に強固に固定されている。最前方側の低圧タンク５には、空気室１と連結された低圧脈流管１０が設けられ、高圧タンク１１には同様に空気室１と連結された高圧脈流管２０が設けられている。高圧タンク１１には更に、空気室１で圧縮された高圧タンク１１内部の空気を、大気に排気する排気ダクト２１が設けられており、最後方の低圧タンク５には、空気室１にて大気圧よりも低くなった低圧タンク５内部に大気より吸気する吸気ダクト１９が設けられている。この外水深８ｍの波力発電装置最下部には、前方側に面積の大きい前方水平板１７が、後方には半分程度の面積になる後方水平板１６が設けられている。この前方水平板１７及び後方水平板１６は、波力発電装置全体の横幅よりも左右に１ｍづつ張り出している。

［図３］には前記の［図２］で示した本発明洋上型波力発電装置の開口幅１０ｍのユニットの中央断面図である。この［図３］に示す断面図は、本発明の基本構造が理解し易い基本図でもある。左側前方の高圧タンク１１と右側後方の低圧タンク５とに挟まれ、左前方の水深２〜６ｍで左方に開口した開放口３と、密閉空間となる水平水路２で繋がっている空気室１が重要な役割を果たす構造である。この空気室１の上部の低圧タンク５と連結した低圧脈流管１０との接続部には、吸入側チェック弁７が、高圧タンク１１と連結した高圧脈流管２０との接続部には、吐出側チェック弁９が夫々設けられていることも、本発明の特徴の一つである。８の符号で示した空気室１内部の静水面は、開放口３より波力が導入されると上下動し、水平水路２内部の海水と共に可動物体として一体的に運動できる基本構造である。この実施例では、空気室１の水平断面積と水平水路２の垂直断面積とが、略同一となる設定にして判り易くしている。更に、最後部の低圧タンク５には大気を吸入する吸気ダクト１９内部に、０．１気圧程度の気圧差で略定速度回転する吸気側タービン発電機４が設けられており、高圧タンク１１の排気ダクト２１内部にも、同様の気圧差で大気に排気する定速度回転型の排気側タービン発電機１２が設けられている。この外にも前記の三基の低圧タンクを支える連結梁１８の下方には、これと対を成す連結梁１８’が設けられ、複数の水中柱２４、２４と共に波力発電装置の後方側の剛性を支える強度材を構成し、最後端部の大面積の垂直板１５を支持し、水平板１６と垂直板１５とに働く波力を受け止める役割を担っている。最後方の低圧タンク５の後面１４も垂直板１５と同様に、波面近くでの左向きの波力を受け止める役割も果たし、高圧タンク１１の前面１３は、波面付近の右向き波力を受け止めるのだが、１／２波長の距離であるので、波力の位相が１８０°異なり、逆向きであるために互いに打ち消し合う作用を果たしている。この空気室１の前後方向の幅は４ｍであり、水平水路２の上下高さも４ｍ、高圧タンク１１の容積は３６０ｍ^３、低圧タンク５の一基の容積は１２０ｍ^３で三基ではやはり３６０ｍ^３、空気室１の静水面８より上方の容積は２４０ｍ^３になっている。

本発明の高効率波力発電装置を構成するための基本は、可動物体となって水平水路２と空気室１の内部を水平／上下に移動する海水の固有振動周期を、有義波周期と一致させて共振状態を導く点にあった。このような共振条件を満たすための具体的な計算手段を、数式を用いて説明することとする。前記の［数１］の説明で、可動物体となる水塊の質量としたｍの数値は、水平水路２内部の水塊質量ｍ_０と附加水質量ｍ_１の単純な和であるが、ｍ_０は［数２］で容易に算出できる一方、ｍ_１は複雑な数式となるので計算結果の数値のみを記すことにする。前項で具体的な寸法を示した実施例において、波高が２．５ｍ、波長が５６ｍ、周期が６秒である波力に対して、開口幅が１０ｍとなる波力発電装置では、ｍ_０は４６１×１０^３となり、ｍ_１は２６３×１０^３となる。更に共振条件算出に必要な数値として、［数１］においてｋ_１とした水塊によるばね常数と、ｋ_２で示す空気室内部空気のばね常数が有る。このｋ_１は４０４×１０^３Ｎ／ｍ、ｋ_２は３８９×１０^３Ｎ／ｍと見積もられるので、［数１］に代入すれば波周期Ｔは６．０秒となる。この数値は外海の有義波周期に一致するので、波力発電装置と有義波との共振による高効率波力発電を実用化する基礎技術となる。このような最適条件を齎す水平水路２の寸法は、［数２］においてｌ_ｄで表示した数値を算出すれば容易に求めることができる。ρは海水密度（１．０３３）、ｙ２は水平水路２の高さ寸法（４ｍ）、Ｂは水平水路２の開口幅寸法（１０ｍ）なので、空気室１内部で［数２］に含まれていない残りの水塊分を加えて算出すると、開口面から空気室１の中心位置までの距離ｌ_ｄは８．０ｍと算出される。１／４波長に相当する１４ｍよりも大幅に修正された寸法となっている。

［図３］で示した空気室１は、共振条件を整えた波力発電装置であるために、有義波の波浪エネルギーを無駄なく吸収できる。静水面８が波力により上昇すると、空気室１内部の空気は圧縮され、上方左側にある吐出側チェック弁９を押し上げる。受圧面積を広くし軽量化した構造なので、僅かな圧力上昇で開弁する仕様としている。受圧面積を大きくすることは、座面を通過する空気の抵抗を減らして、発電効率を向上させる効果も有る。この吐出側チェック弁９を通過した高圧側の空気は、高圧脈流管２０を経由して高圧タンク１１に蓄えられる。最終的にはここから大気に連通している排気ダクト２１より大気に排出されるが、この排気ダクト２１内部には重要機械要素である排気側タービン発電機１２が収納されており、このタービンによるオリフィス効果で、排気流速にブレーキが懸けられる作用が有る。この結果、空気室１より脈動的に高圧タンク１１に流入する高圧排気側の空気も、瞬時に大気に排出されることは不可能で、徐々に高圧タンク１１内部に蓄えられ、前記のオリフィス効果と釣合う圧力になるまで圧力を上昇させ、その後は略一定に近い流量で発電機を連続回転させながら大気に放出される。空気室１内部の静水面８が下降する場合は、僅かな圧力で開弁する吸入側チェック弁７と低圧脈流管１０とを介して、低圧タンク５内部の空気が空気室１内部に流入する。この吸入側チェック弁７も軽量大面積仕様であるが、軽いばねで自重と釣合う構造である。最後方側の低圧タンク５には大気を吸入する吸気ダクト１９が設けられ、この吸気ダクト１９内部にも低圧の一定速度で回転する吸気側タービン発電機４が設置されている。この吸気側タービン発電機４でも排気側と同様に、発電機による機械的な負荷が主な原因となり、気流のブレーキ役となるオリフィス効果が現れる。吸入側チェック弁７を介して脈動的に空気が空気室１内部に流入しても、このオリフィス効果と釣合う圧力迄気圧が低下し、両者が略釣合う状態で吸気側タービン発電機４の定速度回転が実現する。このようにして、脈動する空気室に吸収される波力を、空気の性質を活用して平準化できるので、両方の発電機に対して容易にインピーダンスマッチングが行われる結果、高効率波力発電に大いに寄与することができる。そのためには等容量の低圧タンク５と高圧タンク１１とは、低圧脈流管１０と高圧脈流管２０で出入りする空気流量に比較して、桁違いに大容量であることが絶対条件となり、これにより容易にインピーダンスマッチィングが実現することを可能にしている。この吸気側と排気側の両発電機では、略等量の発電が行われる。本発明実施例では、装置の後方側に高効率波力発電の結果として、波浪エネルギーを吸収して静謐な海面が現れ、作業船などを係留させる場合にも安全な作業が可能になる。

円運動を繰り返している波面から、波力発電装置が時間の変化に従ってどのような方向に向けた波力を受けることになるかについて、１／４周期毎の位相図として図示したのが［図４］であり、この説明により本発明の詳細な説明の最後を締めくくることとする。［図４］では本発明波力発電装置を単純なイラストで表示している。特に簡単なイラストとするために、負荷を略零に想定し、従って水柱振動を発生する空気室は発電装置の中央部に描き、開口部から１／４波長で波力との共振作用が働く場合の単純な説明図にしている。この波力発電装置を浮体と看做して、浮体に働く波力の時間的に変化する関係を、横軸のｘ軸位置を一致させた１／４周期毎の５段階の位相図にした。縦軸は波面の高さＨを表している。従って最初の位相図と最後の位相図は同一の図になっている。波面に働く波力を速度ベクトルとして表現すると、左側から右側に波動が伝わる図示の場合は、一定位置では時計回り方向にベクトルが回転していく。上下方向にも波面は変化するから、横軸を長くしたサインカーブのような曲線で波面は表現可能である。この横軸には区切りとなる１／４波長位置ごとに細線を加え、原点から右方にサインカーブが立ち上がるような波面を最初のＮｏ．１図に描いている。この［図４］についての説明では、最初に基本となる波動のベクトルでの説明をして、発電装置に加わるベクトルの説明に備えることにする。最上部の位相図Ｎｏ．１は出発図となるが、波の周期Ｔは０の時点である。原点より１／４波長右側の波面は、最上部に達した時点なので、上下方向のベクトルは零である一方で、水平方向のベクトルは水平右向き方向となり、ここでの右向き運動速度は最高レベルに達している。この時点からは徐々に下向き方向に上下方向ベクトルが拡大していくが、水平方向ベクトルは逆に減少する傾向になる。次の１／４周期が経過した時点であるＮｏ．２に図示した状態では、前図では水平右向きだったベクトルが垂直下方向きとなり、時計回り方向にベクトルが９０°回転した状態となる。波高は静水面に相当するＨ＝０の時点であり、波面の降下速度が最高レベルに達する一方で、波面の水平方向速度は零となる時点である。ここからは波面の水平方向運動方向が逆転し、左向きのベクトルが徐々に増加するようになり、次のＮｏ．３の位相図状態へと変化していく。このＮｏ．３の位相図の状態は最初のＮｏ．１の状態と反対となる位相となり、ベクトルは前図より更に９０°時計回り方向に回転して、左向きの運動速度が最大となる一方で、波面は最低位置に低下している。この時点からは波面上昇速度が徐々に増加する一方で、左向きの速度は徐々に低下して、ベクトルが垂直上方に向いた次のＮｏ．４の位相図の状態になる。この際もベクトルは連続的に時計回り方向に９０°回転しており、波面は静水面の高さに復帰して、最高上昇速度で波面を上昇させようとする瞬間であるが、左向きの速度は零となり、この後は徐々に右向きに移動する速度を高めようとしている。更に１／４周期の時間が経過する最後のＮｏ．５の位相では、最初の位相に復帰しており、前の位相よりもベクトルが９０°時計回り方向に回転している。このように自然界で生じている波面の運動の様子を、波面の断面図として位相毎にベクトル表示することで理解し易くなる。特に高効率波力発電装置の実現を目的にした本発明の説明でも、位相ごとの波面ベクトルの説明は欠かせない。前記の原点から１／４波長位置右側となる波面での位相図は、更に１／４波長長さだけ後流側において、波力導入の開口部を備えている浮体型波力発電装置では、位相が３／４周期だけ遅れた状態になっている。即ち、前記のＮｏ．４位相図で説明したように、ベクトルが垂直上方に向いている状態なので、水平方向の波面運動が左向きから右向きに切り替わる瞬間であり、波高が零から最高レベルに向かって最大速度で上昇する瞬間でもある。前段階では中央部空気室からこの開口部に向かって水平水路を流出していた海水も左向きの速度が零となり、これから徐々に右向きに向かう速度が増加していこうとする瞬間である。この開口部から１／２波長の長さだけ後方となる波力発電装置後端部では、開口部側よりも１／２周期だけ進んでいる位相に相当する、垂直上向きのベクトルが作用している。この双方のベクトルは、浮体である発電装置全体を時計回り方向に揺動させる懸念が生ずるが、実施例の説明で述べてきたように、前端側と後端側の水面下最下部に設置した大面積水平板により、大きな抵抗力を発生させて抑制している。次のＮｏ．２の位相では、開口部のベクトルは水平右向きで、波高が最大であることに加えて、右向きの波面運動速度が最大になる位相なので、開口部から大量の海水が水平水路内部に流入し、略波の速度程度の流速で中央部の空気室内部の水面を押し上げる。開口部と後端面とには波高に相当する高低の差はあるものの、水平右向きと水平左向きのベクトルが作用し、水平方向の波力は逆向きで互いに打ち消し合うように作用する。更に１／４周期経過すると、開口部には垂直下方に向かうベクトルが作用し、後端面には垂直上方に向かうベクトルが作用している。空気室内部の最上方位置にまで上昇した海水は、上昇速度が零になり、次なる逆流位相に向かわんとする瞬間でもある。前端部と後端部とには反時計回り方向の揺動モーメントが作用するが、一対の水平板による抵抗力で、浮体揺動を極力防止している点は、最初の位相時と同様である。更なる１／４周期の経過により、開口部には波面最下方位置で水平左方に向いたベクトルが作用している。水平水路内部の海水も波面同様に最高速度で流出する瞬間となり、この後は流出速度も徐々に低下していく。前端面と後端面に作用する反対方向向きの両ベクトルも、浮体に動揺を与える力にはなり難い。この位相図では、波動の表現を判り易くするために、有義波の波高を実際よりも３倍程度高くする曲線として描いているので、このＮｏ．４の図では波面が水平水路の下側面にまで達するような低さに描いている。実施例では有義波の最低高さよりも、開口部上縁は１ｍ弱程度の余裕があり、共振状態の実現で波浪に無駄なく水平水路内部の海水を流出させている。更に１／４周期が経過すると、最初のＮｏ．１の位相図と一致するＮｏ．５の位相図になり、以下同様の循環を繰り返すことで、洋上型波力発電装置は波力を有効に装置に取入れて発電し、高効率自然エネルギー発電の新しい技術として世界に提供できる。

従来型ＯＷＣ発電装置の断面図本発明洋上型波力発電装置の基本ユニット二基を側面で合体した実施例の平面図［図２］で示した本発明洋上型波力発電装置の基本ユニットの実施例の水平水路中央部の断面図波浪の１／４周期毎に波面上での波の運動ベクトルと、単純化したイラストで表示した本発明波力発電装置の前端及び後端部での波の運動ベクトルとを表示した位相線図

１可動物体としての海水の上下振動が自然発生する空気室
２水平水路
３開放口
４吸気側タービン発電機
５低圧タンク
６管路
７吸入側チェック弁
８空気室内部の水面
９吐出側チェック弁
１０低圧脈流管
１１高圧タンク
１２排気側タービン発電機
１３発電装置
１４洋上型波力発電装置の後面
１５垂直板
１６後方水平板
１７前方水平板
１８、１８’ 連結梁
１９吸気ダクト
２０高圧脈流管
２１排気ダクト
２２低圧タービン
２３高圧タービン
２４水中柱

数式の説明

Ｔ_０：空気室内の海水上下動における固有振動周期
ｍ：可動物体となる水塊として運動する海水質量（附加水を含む）
ｋ_１：水塊によるばね常数
ｋ_２：空気室内空気によるばね常数

ｍ_０：水平水路内の海水質量
ρ：海水の比重
ｙ_２：水平水路内部高さ寸法
Ｂ：開口の横幅寸法
ｌ_ｄ：開口から空気室中央までの寸法

Claims

入射波に対向して水面下で開口した水平水路が発電装置中央側に延びて折れ曲がり垂直に直立し静水面よりもかなり高くなる天井を備えた形状の空気室と、この空気室に連通する空気のタンクと、このタンクと大気とを連通するダクトと、このダクト内部で空気流により回転駆動されるタービン発電機とを備えた波力発電装置において、可動物体として周期的に運動方向を変換して移動する水平水路内部と空気室内部の海水に加え発電装置の外部でこの運動に直接的に関与する附加水の合計質量を分子とし、可動物体としての水塊によるばね常数に空気室内空気によるばね常数とを加えた数値を分母とする比の平方根に２倍の円周率を乗じて算出される空気室内部海面の固有振動周期が有義波周期と一致することを特徴とする洋上型波力発電装置
入射波に対向して水面下で開口した水平水路が発電装置中央側に延びて折れ曲がり垂直に直立し静水面よりもかなり高くなる天井を備えた形状の空気室と、この空気室に連通する空気のタンクと、このタンクと大気とを連通するダクトと、このダクト内部で空気流により回転駆動されるタービン発電機とを備えた波力発電装置において、可動物体として周期的に運動方向を変換して移動する水平水路内部と空気室内部の海水に加え発電装置の外部でこの運動に直接的に関与する附加水の合計質量を分子とし、可動物体としての水塊によるばね常数に空気室内空気によるばね常数とを加えた数値を分母とする比の平方根に２倍の円周率を乗じて算出される空気室内部海面の固有振動周期が有義波周期と一致することに加えて、前記の空気用のタンクは大気から吸気ダクトを介して空気を導入する大容量低圧タンクと、タンクから大気に排気する排気ダクトを介してタンク内空気を排出する大容量高圧タンクとを備える一方、空気室と低圧タンクとの間に低圧タンクから空気室に向かう気流のみを流動させるチェック弁を備えた低圧脈流管に加え、空気室と高圧タンクとの間に空気室から高圧タンクに向かう気流のみを流動させるチェック弁を備えた高圧脈流管を有し、高・低圧両タンクのダクトは夫々一対のタービン発電機を備えていることを特徴とする洋上型波力発電装置
波力発電装置の全長を有義波波長の１／２長さとし、後端面には水面下に広がる大面積の垂直板を強固に固定していることを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の洋上型波力発電装置
波力発電装置の最下方となる水面下に水平に広がる大面積の水平板を、前端側と後端側に夫々備えていることを特徴とする請求項３に記載の洋上型波力発電装置
各構成要素を強固に連結して大容量型の低圧タンクと高圧タンクとを浮体のフロートとして兼用する構造であることを特徴とする前記各項に記載の洋上型波力発電装置