JP2013221385A - ジャイロ式波力発電機能を備えた浮消波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】浮体の傾斜運動のエネルギーに変換されない透過波を小さくする。
【解決手段】ジャイロ式波力発電装置２を支持又は搭載し、波浪の入射波を受けて揺動する浮体３と、浮体３を透過した波浪を浮体３に向けて反射し、反射波を発生させる反射壁４とを備える。反射壁４は、波浪の進行方向と交差する向きに設けられた反射部４ｂと、この反射部４ｂから波浪の進行方向と逆向きに延設された複数の橋状係留部４ａとで構成され、浮体３は、橋状係留部４ａの間に係留する。
【効果】反射壁４により透過波が反射されるので、透過波が小さくなり、消波効果が高くなる。また、重複波により浮体３の傾斜運動が増加するので、ジャイロ式波力発電装置２の発電量も増加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ジャイロ式波力発電装置用の浮体としての機能も備えた浮消波装置に関するものである。

従来、例えば、浮体と、浮体に支持されたジャイロと、このジャイロのジンバル軸に増速手段を介して接続された発電機とを備え、波浪による浮体の揺動によりジャイロのジンバルを回転させて発電機を駆動するジャイロ式波力発電装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

このジャイロ式の波力発電装置は、波浪のエネルギーを浮体の傾斜運動のエネルギーに変換して発電するので、例えば特許文献１に開示されているような海面浮遊式の浮体であれば、浮体が位置している海面付近を通過する波浪のエネルギーを吸収して減衰させることができる。

そこで、特許文献１では、例えば図６に示すように、複数のジャイロ式波力発電装置用浮体１０１を連結部材１０２で一列に接続した波力発電プラント１０３を浮消波装置として利用する構成が開示されている。この浮消波装置は、防波堤２０１によって形成された港２０２の港外と港内に夫々２列ずつ並列配置するものである。なお、図６中、矢印Ｘは波浪の進行方向を、２０３は港内に設けられた桟橋を示している。

しかしながら、特許文献１の浮消波装置は、波浪の進行方向に対して浮体１０１が重複しないように千鳥状に配置することで消波効果を高めようとするものであるが、浮体１０１の運動エネルギーに変換されずに浮体１０１の後方に透過してしまう波浪への対策は考慮されていない。

波力発電装置の性能は日々進歩しているが、最近の先進的な波力発電装置においても、エネルギー変換効率は３０％程度とみられているので（非特許文献１、ｐ１６）、浮体１０１が受ける波浪のエネルギーの半分以上は、浮体１０１の傾斜運動のエネルギーに変換されずに、浮体１０１の後方に透過してしまうと考えられる。

そのため、図６に示すように、波力発電プラント１０３を港２０２の港外と港内に２列ずつ並列配置するのみでは、消波効果の向上は左程期待できない。

特許４８２１００８号

東京都環境局、波力発電検討会、「波力発電検討会報告書」、２０１０年３月

本発明が解決しようとする問題点は、従来のジャイロ式波力発電機能を備えた浮消波装置は、浮体の傾斜運動のエネルギーに変換されずに浮体を透過する波浪への対策がないために、消波効果が十分ではなかった点である。

本発明の浮消波装置は、透過波を少なくして消波効果を高めるという目的を達成するために、
ジャイロ式波力発電装置を支持又は搭載し、波浪の入射波を受けて揺動する浮体と、前記浮体を透過した波浪を前記浮体に向けて反射し、反射波を発生させる反射壁と、を備えたことを最も主要な特徴としている。

上記本発明によれば、浮体を透過した波浪は反射壁で反射し、浮体に向けて反射波を生じさせることができる。よって、浮体を連結部材で一列に接続した従来の浮消波装置と比較すると、透過波が小さくなり、消波効果が向上する。

上記本発明において、前記浮体を反射壁に係留するように構成した場合は、浮体同士の衝突を避けつつ浮体間の間隔を小さくすることができるので、消波効果をより高めることができる。

また、上記本発明において、前記反射壁が入射波と反射波の重複波を発生させることにより、浮体の傾斜運動を増加させるように構成した場合は、ジャイロ式波力発電装置の発電量が増加して、発電効率も高くなる。

本発明の浮消波装置を平面の方向から見た全体構成図である。 （ａ）は図１のＡ−Ａ線における断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線における側面図である。 図１のＡ−Ａ線における断面図であり、浮体に対し重複波が作用している状態を説明する図である。 （ａ）〜（ｆ）は、時間の経過による重複波の変化と、節（node）及び腹（anti-node）が現れる位置を説明する図である。 本発明の浮消波装置を側面の方向から見た全体構成図である。 従来の浮消波装置の構成を示す図である。

本発明では、透過波を少なくして消波効果を高めるという目的を、浮体を透過した波浪を浮体に向けて反射する反射壁を設けることで実現した。
以下、本発明を実施するための形態を、図１〜図５を用いて詳細に説明する。

図１において、１は、上部にジャイロ式波力発電装置２を支持し、波浪の入射波を受けて揺動する浮体３と、この浮体３を透過した波浪を浮体３に向けて反射し、反射波を発生させる反射壁４とを備えた本実施例の浮消波装置を示している。図１中、矢印Ｘは波浪の進行方向を、５は、浮体３を反射壁４に接続するための係留索を示している。

ジャイロ式波力発電装置２の筐体内には、波浪による揺動により回転するシンバルや、シンバルの回転中心となるジンバル軸、シンバル軸を軸支するためのジンバル軸受台、ホイール支持軸を中心に回転するフライホイールなどの主要な駆動部と、ジンバル軸に増速手段を介して接続された発電機などが実装されている。

反射壁４は、図１に示すように、波浪の進行方向と交差する向きに設けられた反射部４ｂと、この反射部４ｂから波浪の進行方向と逆向きに延設された複数の橋状係留部４ａとで構成されている。

上記本実施例の構成によれば、浮体３は係留索５を介して橋状係留部４ａの間に係留されているので、浮体３が波浪を受けて揺動したときに浮体３同士が衝突しない。また、浮体３同士が衝突するおそれがないため、浮体３の間隔を小さくすることができ、結果として浮体３を密に配置することができる。

よって、本実施例の浮消波装置１は、図６に示すような従来の浮消波装置よりも浮体１を密に配置できるので、消波効果が高くなる。また、浮体を１基ずつ係留する場合と比較すると、浮体１基当たりの海域の占有面積を小さくすることができる。

図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線における断面図を、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線における側面図を示したものである。図２（ａ）に示すように、反射壁４において、透過波を反射する反射面４ｂａを有した反射部４ｂの上下方向の長さは、浮体３を透過した波浪を確実に反射できるように、浮体３及びジャイロ式波力発電装置２の上下方向の長さよりも２倍以上長くなるようにしている。

また、図２（ｂ）に示すように、反射壁４は、喫水線面積を小さくしたセミサブ型の浮体とすることで、波浪による揺動をできるだけ小さく抑制できるようにしている。そのため、本実施例の浮消波装置１では、反射壁４が不必要に揺動して浮体３の傾斜運動に悪影響を及ぼすおそれは低減できる。

ここで、セミサブ型（Semi-Submersible型）とは、例えば下側半分が海面下に沈み込んでいるような半潜水式の浮体構造物の形状をいう。

具体的には、本実施例の反射壁４は、図２（ｂ）に示すように、反射部４ｂの上部から水平方向に橋状係留部４ａが延設されると共に、反射部４ｂの下部から水平方向に海中構造部４ｃが延設され、この海中構造部４ｃと橋状係留部４ａの間を支柱４ｆで支える構造を採用している。

このようにすることで、橋状係留部４ａは海水面よりも上方に浮いているが、海中構造部４ｃは海水面よりも下方に沈んでおり、海水面の位置には支柱４ｆと反射部４ｂのみが存在するセミサブ型とすることができる。セミサブ型の浮体で構成された反射壁４は、船型あるいは箱型とする場合と比較すると喫水線面積が小さいため、波浪や潮流による上下動や水平移動の応力が少なくなり、安定した状態を確保しやすい。

なお、図２（ｂ）において、３ａは、係留索５を接続するために浮体３の下面に取り付けた環状部、４ｄは、係留索５を接続するために海中構造部４ｃの上面に設けた環状部を示している。また、４ｅは、セミサブ型の浮体で構成された反射壁４を係留するための係留索６が接続される環状部を示している。

図３は、浮体３に対し、重複波が作用している状態を説明する図である。本発明では、入射波の進行方向に対して垂直な面（反射部４ｂの反射面４ｂａ）で波が反射するので、元の波（入射波）と進行方向が逆向きの反射波が発生する。そのため、本発明では、入射波と反射波が合成されることにより生じた重複波が浮体３に作用する。

図４（ａ）〜（ｆ）は、時間の経過による重複波の変化を示す図である。図４に示すように、重複波においては見かけ上波形は進行せず、また、重複波の波高は入射波もしくは反射波の約２倍となる。

また、重複波では、上下方向の振幅は行われないが波形勾配は最大となる点（Ｓ１，Ｓ２）と、上下方向の振幅は最大になるが波形勾配はまったく生じない点（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３）が現れる。前者は節(node)、後者は腹（anti-node）と呼ばれ、重複波の波長をλとすると、節と腹はλ／４ごとに交互に現れる。

したがって、例えば腹Ｈ１を基準とすると、２番目の腹Ｈ２はλ／２の位置に、３番目の腹Ｈ３は波長λの位置に現れる。また、腹Ｈ１に最も近い節Ｓ１はλ／４の位置に、２番目の節Ｓ２は３λ／４の位置に現れる。なお、図３及び図４中、矢印Ｘは入射波の進行方向を、矢印Ｙは反射波の進行方向を示している。

本発明では、図３に示すように、反射壁４の、浮体３を配置した側に重複波が発生するので、反射壁４を設けない従来の浮消波装置と比較すると、節Ｓの位置における波形勾配を大きくすることができる。ジャイロ式波力発電装置２は、浮体３の傾斜運動を利用して発電するものであるため、波形勾配が最も大きくなる節Ｓの位置に浮体３を配置することで、浮体３の傾斜運動がより大きくなるようにすれば、ジャイロ式波力発電装置２の発電量が増加する。

すなわち、本発明においては、反射壁４は、入射波と反射波の重複波を発生させることにより、浮体３の傾斜運動を増加させるものであることが望ましい。

また、図４で説明したとおり、反射壁４の反射面４ｂａ（腹Ｈの位置）から最も近い位置で重複波の節Ｓが発生するのは反射壁４から１／４波長だけ離れた位置であるから、本発明の浮消波装置１を設置する海域の卓越波周期から波長を求めて、浮体３と反射壁４の間隔を最適なものに決定することがより望ましい。

具体的には、上述のとおり、反射面４ｂａから１／４波長だけ離れた節Ｓの位置に浮体３を配置させる構成が最も望ましい実施形態であるが、節Ｓの位置を基準に前後１／８波長の範囲も波形勾配が比較的大きくほぼ同様の望ましい効果が得られる範囲である。したがって、本発明では、反射壁４の反射部４ｂと浮体３の間隔は、設置海域における波浪の波長の１／８以上で３／８以下の範囲とすることが望ましい。

なお、反射壁４から最も近い節の位置を基準とした理由は、節は、理論上はλ／２ごとに現れるが、実際には、反射壁４からの距離が遠くなるに従い、減衰が生じてしまうからである。

図５は、本発明の浮消波装置１を側面の方向から見た図である。本実施例では、浮体３及び反射壁４は共に鋼製であり、中空構造とすることにより必要な浮力を得ている。そして、反射壁４は、係留索６により左右のアンカー７に夫々係留されており、上下方向及び左右方向の運動は一定の範囲に収まるように拘束されている。

以上説明したように、本発明の浮消波装置１は、浮体３自体の消波機能に加え、反射壁４で透過波を反射するので、透過波を小さくすることができる。また、浮消波装置１に浮体３を係留することで、浮体３同士の間隔が小さくなるので、消波機能が高くなる。加えて、浮消波装置１に設けられた反射壁４により重複波を発生させることで、浮体３の傾斜運動が大きくなるので、ジャイロ式波力発電装置２の発電量が増加する。

本発明は、前記の実施例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、前記の実施例では、反射壁４は浮体で構成し、係留索６によって係留する場合の例を開示したが、水深が浅い海域の場合は、着底式の反射壁を用いても良い。

また、前記の実施例では、鋼製の浮体３及び反射壁４を用いる例を開示したが、浮体３及び反射壁４の材質はこれに限らない。例えば、耐候性に優れた樹脂や繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などを用いても良い。

また、前記実施例では、浮体３上にジャイロ式波力発電装置２を固定する例を開示したが、ジャイロ式波力発電装置２は、例えば浮体３内に搭載されていても良い。

また、前記の実施例では、橋状係留部４ａと反射部４ｂで構成される反射壁４を開示したが、反射壁４の端部に、電力の集積設備又は維持管理作業時の船舶からの乗り移り設備として利用可能な作業場を設けても良い。

１ 浮消波装置
２ ジャイロ式波力発電装置
３ 浮体
４ 反射壁
４ａ 橋状係留部
４ｂ 反射部
５ 係留索
６ 係留索
７ アンカー

Claims (5)

1. ジャイロ式波力発電装置を支持又は搭載し、波浪の入射波を受けて揺動する浮体と、前記浮体を透過した波浪を前記浮体に向けて反射し、反射波を発生させる反射壁と、を備えたことを特徴とする浮消波装置。
2. 前記浮体は、係留索を介して前記反射壁に係留されていることを特徴とする請求項１に記載の浮消波装置。
3. 前記反射壁は、波浪の進行方向と交差する向きに設けられた反射部と、この反射部から波浪の進行方向と逆向きに延設された複数の橋状係留部とで構成され、前記浮体は、前記橋状係留部の間に係留されていることを特徴とする請求項２に記載の浮消波装置。
4. 前記反射壁は、前記入射波と前記反射波の重複波を発生させることにより、前記浮体の傾斜運動を増加させるものであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の浮消波装置。
5. 前記反射壁の反射部と前記浮体の間隔は、設置海域における波浪の波長の１／８以上で３／８以下の範囲としたことを特徴とする請求項３又は４に記載の浮消波装置。

Images