JP2015014230A

JP2015014230A - 波力発電システム

Info

Publication number: JP2015014230A
Application number: JP2013140629A
Authority: JP
Inventors: 訓雄中野; Kunio Nakano; 川口　隆; Takashi Kawaguchi; 隆川口
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2033-07-04
Also published as: JP6092725B2

Abstract

【課題】
波からエネルギーを取り出し発電を行う波力発電装置を有する波力発電システムにおいて、沿岸海域に設置可能であり、故障の発生を抑制し、且つ建造コストを抑制した波力発電システムを提供する。また、湾内の水質の悪化等を引き起こさない波力発電システムを提供する。
【解決手段】
防波構造物２と、防波構造物２に設置された波力発電装置３と、を有する波力発電システム１であって、防波構造物２が、海底１２近傍から海面１１上方に延伸した複数のフレームを有するフレーム構造２０と、フレーム構造２０の側面に設置され且つ開口部２３を有する防波板２２と、を有しており、波力発電装置３が、防波板２２の開口部２３に対応する位置に配置され且つ波により上下運動するフロート３０と、フロート３０の上下運動を回転運動に変換する変換機構３２と、変換機構３２に連結された発電機３３と、を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、海上に浮かべた発電ブイの運動により、波からエネルギーを取り出し発電を行う波力発電システムに関するものである。

沿岸部に設置される波力発電装置として、防波堤に設置された波力発電装置が開示されている（例えば特許文献１参照）。この波力発電装置は、防波堤の側面に形成された遊水室と、遊水室の側壁に形成されたスリットと、スリットの陸側であり且つ遊水室の内部に配置された水車を有している。このスリットは、鉛直方向を長手方向としている（特許文献１図５参照）。この波力発電装置は、スリットを通過した波を水車に衝突させ、この波の運動エネルギーを水車の回転エネルギーに変換して発電を行う構成を有している。

この構成により、波力発電装置は発電効率を向上することができていた。これは、スリットを通過させ、流速が上昇した波を発電に利用できるからである。また、この波力発電装置は、海岸線に沿って設置された防波堤に設置するため、送電用ケーブル等の接続が容易となる。

しかし、上記の波力発電装置は、いくつかの問題点を有している。第１に、荒天時に、水車が破壊される可能性があるという問題を有している。特に、スリットにより波の流速を上昇させる構成を有しているため、水車が故障する可能性が更に高まる。

第２に、海岸線に配置された波力発電装置は、発電量が安定しないという問題を有している。これは、海岸線近傍では、波が地形や風等の影響を大きく受け、その振幅や周期が安定しないからである。

第３に、上記の波力発電装置を沿岸海域に設置することが困難であるという問題を有している。これは、海岸線に比べて水深が深くなる沿岸海域に防波堤を建造する際、この建造コストが高コストとなるからである。また、防波堤の建造により、防波堤の内外での海水交換が行われなくなるため、防波堤の内側の湾内の水質が悪化するという問題を有している。これは、防波堤は、海水を通過させる構成を有していないためである。

以上より、海岸線及び沿岸海域に設置する波力発電装置は、設置が進んでいない。

特開２０１３−２４１０号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、波からエネルギーを取り出し発電を行う波力発電装置を有する波力発電システムにおいて、沿岸海域に設置可能であり、故障の発生を抑制し、且つ建造コストを抑制した波力発電システムを提供することである。また、湾内の水質の悪化等を引き起こさない波力発電システムを提供することである。

上記の目的を達成するための本発明に係る波力発電システムは、防波構造物と、該防波
構造物に設置された波力発電装置と、を有する波力発電システムであって、該防波構造物が、海底近傍から海面上方に延伸した複数のフレームを有するフレーム構造と、該フレーム構造の側面に設置され且つ開口部を有する防波板と、を有しており、該波力発電装置が、該防波板の該開口部に対応する位置に配置され且つ波により上下運動するフロートと、該フロートの上下運動を回転運動に変換する変換機構と、該変換機構に連結された発電機と、を有していることを特徴とする。

この構成により、荒天時であっても波力発電装置が破壊される事故を防止できる。これは、防波板が波の衝撃を緩衝するからである。また、波力発電システムの製造コストを抑制することができる。これは、防波構造物にフレーム構造を採用したからである。

上記の波力発電システムにおいて、前記防波構造物が、前記防波板の下方に海水の移動を可能とする空間である海水交換領域を有していることを特徴とする。この構成により、波力発電システムの陸側に静水域を形成しながら、且つ波力発電システムの海側と陸側の間における海水交換を実現することができる。これは、防波構造物が、波の衝撃を緩衝し、且つその下方に形成された海水交換領域を介して海水の移動を維持できるからである。

上記の波力発電システムにおいて、前記開口部が、前記フロートの幅に対して２００％以上となる幅を有していることを特徴とする。この構成により、波力発電装置による発電効率を維持することができる。

上記の波力発電システムにおいて、前記波力発電装置の前記変換機構が、前記フロートに設置されたフロート側磁石と、前記胴体内に配置され且つ該フロート側磁石と磁気的に結合可能に構成された胴体側磁石と、該胴体側磁石に固定されたラックと、該ラックに連結されたピニオンギアと、を有していることを特徴とする。

この構成により、波力発電装置を防波構造物に設置する際の設計の自由度を向上することができる。これは、波力発電装置が、胴体に沿ってフロートが移動する空間を確保すれば、発電を行えるからである。また、波力発電装置が故障する可能性を低減できる。これは、胴体に水密構造を採用できるからである。

本発明に係る波力発電システムによれば、沿岸海域に設置可能であり、故障の発生を抑制し、且つ建造コストを抑制した波力発電システムを提供することができる。また、湾内の水質の悪化等を引き起こさない波力発電システムを提供することができる。

本発明に係る実施の形態の波力発電システムの概略図である。本発明に係る実施の形態の波力発電システムの概略図である。本発明に係る実施の形態の波力発電システムの設置例を示した概略図である。本発明に係る実施の形態の波力発電システムの波力発電装置の概略図である。本発明に係る異なる実施の形態の波力発電システムの概略図である。本発明に係る異なる実施の形態の波力発電システムの概略図である。

以下、本発明に係る実施の形態の波力発電システムについて、図面を参照しながら説明する。図１に本発明の実施の形態の波力発電システム１の概略図を示す。また、図２左方に波力発電システム１の正面を、図２右方に側面を示す。この波力発電システム１は、防
波構造物２と、防波構造物２に設置された波力発電装置３と、を有している。

この防波構造物２は、海底１２近傍から海面１１上方に延伸した複数のフレームを有するフレーム構造２０と、フレーム構造２０の側面に設置され且つ開口部２３を有する防波板２２と、を有している。このフレーム２０構造は、略鉛直方向を長手方向とする複数の脚部フレーム２０ａと、複数の脚部フレーム２０ａの上方に連結され略水平方向を長手方向とする複数の上部フレーム２０ｂ、複数の中間フレーム２０ｃ及び複数の下部フレーム２０ｄと、複数の斜材フレーム２０ｅと、を有している。この脚部フレーム２０ａは、海底１２に打ち込まれた杭２４に被せるようにして固定されている。

また、防波板２２は、プレキャスト等のコンクリートは、鋼板等で構成することができる。更に、防波板２２は、防波板の上端側が下端側に対して陸側に傾いた状態で、フレーム構造２０に固定されている。

加えて、防波構造物２は、防波板２２の下方において、防波構造物２の正面及び背面の間で海水の通過を可能とする海水循環領域Ｐ１を有している（図２参照）。ここで、Ｆは、海水の流れる方向の１例を示している。なお、図１において、防波板２２の一部を切り欠いた状態で示している。

波力発電装置３は、上部フレーム２０ｂと中間フレーム２０ｃの間に連結され、鉛直方向を長手方向とする胴体３１と、胴体３１に沿って上下動可能に設置されたフロート３０と、を有している。このフロート３０は、防波板２２と海岸線の間であり、且つ防波板２２の開口部２３を通過した波と衝突する位置となるように配置されている。具体的には、フロート３０は、防波板２２に形成された開口部２３よりも横幅及び高さがともに小さくなるように形成されている。また、図示していないが、波力発電装置３は、フロート３０の上下運動を回転運動に変換する変換機構と、変換機構に連結された発電機と、を有している。

次に、波力発電システム１の作動について説明する。まず、通常時の波力発電システム１の作動について説明する。防波構造物２は、防波板２２で波の衝突を受け、消波する。また、波力発電装置３は、開口部２３を通過した波のエネルギーをフロート３０で受け、フロート３０の上下運動を変換機構から発電機に伝達して発電を行う。この発電機は、例えば胴体３１の内部やフレーム構造２０の一部に設置することができる。

次に、荒天時の波力発電システム１の作動について説明する。荒天時には、発電に必要となるエネルギー量を超えるエネルギーを有した波が、波力発電システム１に到来する。このとき、防波構造物２の防波板２２は、波の衝突を受け、この波の多くのエネルギーを消失させる。特に、防波板２２は、フロート３０の上方に被るような波を、防波板２２の上部で消波する。また、防波板２２は、海面より下方の中間層を移動する海水のエネルギーを、防波板２２の下部で緩衝する。ここで、荒天時の波は、海面のみでなく、中間層においても海水が大きなエネルギーを有した状態で移動するため、防波板２２の下部による緩衝は有効である。

このとき、フロート３０は、開口部２３を通過する波のみを利用して、発電を継続するように制御されてもよい（荒天時発電制御）。また、フロート３０は、固定具により胴体３１に固定され、開口部２３を通過する波を消波する防波壁として機能するように制御されてもよい（荒天時防波制御）。

上記の構成により、波力発電システム１は、以下の作用効果を得ることができる。第１に、荒天時に波力発電装置３のフロート３０等が破壊される事故を防止することができる
。これは、防波板２２が、波の衝撃を緩衝するからである。特に、フロート３０の上方に被るような波を防波板２２の上部で効果的に防止できるため、波力発電装置３の故障の発生等を防止することができる。また、フレーム構造２０の採用により、海水循環領域Ｐ１への海水の流れ込みが発生し、開口部２３を通過する海水の流速が上昇する等の問題が生じないため、フロート３０等が破壊される事故を防止することができる。

第２に、波力発電システム１の製造コストを抑制することができる。これは、フレーム構造２０で構成された防波構造物２の採用により、従来の防波堤等、海底まで続くコンクリート構造物を設置する必要がないからである。特に、水深が深い場所であっても、脚部フレーム２０ａの長さの調整により、波力発電システム１を容易且つコストを抑制しながら設置することができる。

第３に、波力発電システム１の陸側に静水域を形成しながら、且つ波力発電システム１の海側と陸側の間における海水交換を実現することができる。これは、波力発電システム１の防波構造物２が、波の衝撃を緩衝し、且つその下方に形成された海水交換領域Ｐ１を介して海水の移動を維持できるからである。

具体的には、図３に、波力発電システム１の設置例を示す。波力発電システム１は、海岸線５０から離れた沿岸部に設置されている。この波力発電システム１と海岸線５０（陸側）の間には、静水域Ｐ２が形成される。この静水域Ｐ２は、波力発電システム１の海水交換領域Ｐ１を介して海水を循環させることができる。そのため、静水域Ｐ２には、例えば養殖用イケス５２等を設置することが可能となる。なお、５１は、海岸線５０に設置された突堤５１を示している。

第４に、波力発電システム１をあらゆる場所に設置することができる。これは、波力発電システム１の陸側は、静水域Ｐ２が形成されるのみで、海水交換が維持されるため、海洋環境に与える負荷が小さいからである。

なお、フレーム構造２０の構成は、上記に限られず、防波板２０を支持可能な構造であり、且つ海水交換領域Ｐ１を形成できる構造であればよい。

図４に、波力発電システム１が有する波力発電装置の例を示す。図４左方の波力発電装置３は、波により胴体３１に沿って上下運動するフロート３０と、フロート３０の上下運動を回転運動に変換する変換機構３２と、変換機構３２に連結された発電機３３と、を有している。変換機構３２は、フロート３０に設置されたラック３８と、ラック３８の直進運動を受けて回転するピニオンギア３９と、を有している。このピニオンギア３９は、その回転力を発電機３３に伝達するように構成されている。この波力発電装置３は、フロート３０の上下運動に伴い、ラック３８が上下運動し、ピニオンギア３９が回転するように構成されている。

この構成により、波力発電システム１の波力発電装置３を低コストで製造することが可能となる。これは、従来の変換機構３２を利用することができるからである。

図４右方に、異なる実施例の波力発電装置３Ａを示す。この波力発電装置３Ａの変換機構３２Ａは、フロート３０に設置されたフロート側磁石３６と、胴体３１内に配置され且つフロート側磁石３６と磁気的に結合可能に構成された胴体側磁石３５と、胴体側磁石３５に固定されたラック３８Ａと、ラック３８Ａの直進運動を受けて回転するピニオンギア３９Ａと、を有している。

この波力発電装置３Ａは、フロート３０の上下運動に伴い、フロート側磁石３６が上下
運動し、この上下運動が磁気結合により胴体側磁石３５に伝達されるように構成されている。また、波力発電装置３Ａは、胴体側磁石３５の上下運動を、例えば、ラック３８Ａ及びピニオン３９Ａを介して、発電機３３に伝達するように構成されている。

この構成により、波力発電システムは、以下の作用効果を得ることができる。第１に、波力発電装置３Ａを防波構造物２に設置する際の設計の自由度を向上することができる。これは、波力発電装置３Ａが、胴体３１に沿ってフロート３０が移動する空間を確保すれば、発電を行えるからである。つまり、波力発電装置３Ａは、図４左方に示すように、ラック３８が胴体３１の上方に突出するような構成を有さないため、防波構造物２に設置する際の制限が生じにくい。

第２に、波力発電装置３Ａが故障する可能性を低減できる。これは、胴体側磁石３５及びフロート側磁石３６による磁気結合の利用により、胴体３１に水密構造を採用し、胴体３１の内部の発電機３３等に水がかからない構造を容易に実現できるからである。つまり、波力発電装置３Ａは、図４左方に示すように、胴体３１にラック３８を貫通させる開口部を形成する必要がないため、海水や雨水等が胴体３１内への侵入することを防止できる。

なお、波力発電装置３Ａは、磁気結合の代わりに、電磁誘導を利用して発電を行う構成とされてもよい。この構成により、上記と同様の作用効果を得ることができる。また、波力発電装置が、水平方向を長手方向とする胴体と、この胴体を中心軸として上下方向に回転運動するフロートと、を有していてもよい（ＳａｌｔｅｒＤｕｃｋ）。

図５左方に、波力発電システム１の正面を示す。防波構造物２を構成する防波板２２は、防波板上部２２ａと、防波板上部２２ａの両端から下方に延伸した２つの防波板側部２２ｂと、２つの防波板側部２２ｂの下方を連結するように形成された防波板下部２２ｃと、防波板上部２２ａ、防波板側部２２ｂ及び防波板下部２２ｃに囲まれた領域である開口部２３と、を有している。

この開口部２３の幅Ｌｐは、フロート３０の幅Ｌｆよりも大きく形成されており、望ましくは、フロート３０の幅Ｌｆに対して２００％以上３００％以下の幅とする。開口部２３の幅Ｌｐが、前述よりも小さすぎるとほとんどの波が開口部２３を通過せず、フロート３０に十分な波のエネルギーが伝達されず、発電効率が低下してしまう。つまり、開口部２３の幅Ｌｐが、フロート３０の幅Ｌｆに対して２００％以下の場合は、フロート３０の近傍における波の振幅が小さくなってしまい、フロート３０の幅Ｌｆに対して２００％以上の場合は、フロート３０の近傍における波の振幅は防波板２２を設置しない場合と同程度となる。他方で、開口部２３の幅Ｌｐが、前述よりも大きすぎると防波板２２にもフロート３０にも衝突せず通過してしまう波が多くなり、防波構造物２による防波性能が低下してしまう。また、開口部２３の高さＨｐは、平均潮位ＷＬに対して、鉛直方向に±４ｍ程度、望ましくは±３ｍ程度とする。この開口部の高さＨｐは、その地点で発生する波の振幅により適宜決定される。例えば、日本近海では、波の振幅は、±２ｍ以内に収まることが多く、この場合は、開口部の高さＨｐは平均潮位面ＷＬに対して±３ｍとすることが望ましい。これに対して、フロートの高さＨｆは任意に決定することができる。このフロートの高さＨｆは、波力発電装置３の発電容量等をパラメータとして決定される。具体的には、例えば図５に示したフロート３０は、幅Ｌｆを４．５ｍとし、高さＨｆを４．０ｍとすることができる。

図５右方に異なる実施例の波力発電システム１Ｂの正面を示す。この波力発電システム１Ｂの防波構造物２Ｂは、防波板下部２２ｃが取り除かれ、開口部２３の下方を開放するように構成されている。この構成により、海水交換領域Ｐ１を拡大し、積極的な海水循環
を実現することができる。特に、波力発電システムが、水深の浅い領域に設置される際に上記の防波構造物２Ｂの構成は有利である。これは、荒天時であっても水深が浅い領域では、中間層を移動する海水のエネルギーがそれほど大きくないためである。また、開口部２３の下方を開放する構成により、防波板２２の製造コストを抑制することができる。

なお、図５において便宜上、防波板２２を複数に分割して名称を付したが、防波板２２は一体に成形されてもよく、複数に分割して成形されたものを連結する構成としてもよい。

図６に、異なる実施例の波力発電システム１Ｃの正面を示す。この波力発電システム１Ｃは、複数（例えば２つ）のフロート３０に対して、１つの開口部２３Ｃを有する防波板２２Ｃを設置している。この構成により、フロート３０の設置数を増加できるため、波力発電システム１Ｃの発電容量を増加することができる。また、フロート３０同士の間隔を接近させることができるため、発電効率を向上することができる。

更に、この防波板２２Ｃは、開口部２３の下方を開放しない構成としながら、他方で防波板２２Ｃの下方を短く構成している。この構成により、防波板の下部で中間層の波のエネルギーを緩衝する一方で、積極的な海水循環を実現することができる。

なお、図６に示した開口部２３Ｃにおける開口部２３の幅Ｌｐは、フロート３０の幅Ｌｆの４００％以上５００％以下の範囲となるように構成することが望ましい。発電効率を低下させずに且つ防波性能を低下させないためである。また、３つ以上のフロート３０に対して、１つの開口部を有する防波板を設置する構成としてもよい。この構成により、更に、発電容量を増加させて、発電効率を向上することができる。

１、１Ｂ、１Ｃ波力発電システム
２、２Ｂ、２Ｃ防波構造物
３、３Ａ波力発電装置
１１海面
１２海底
２０フレーム構造
２２防波板
２３開口部
３０フロート
３１胴体
３２変換機構
３３発電機
３５胴体側磁石
３６フロート側磁石
Ｐ１海水交換領域

Claims

防波構造物と、該防波構造物に設置された波力発電装置と、を有する波力発電システムであって、
該防波構造物が、海底近傍から海面上方に延伸した複数のフレームを有するフレーム構造と、該フレーム構造の側面に設置され且つ開口部を有する防波板と、を有しており、
該波力発電装置が、該防波板の該開口部に対応する位置に配置され且つ波により上下運動するフロートと、該フロートの上下運動を回転運動に変換する変換機構と、該変換機構に連結された発電機と、を有していることを特徴とする波力発電システム。
前記防波構造物が、前記防波板の下方に海水の移動を可能とする空間である海水交換領域を有していることを特徴とする請求項１に記載の波力発電システム。
前記開口部が、前記フロートの幅に対して２００％以上となる幅を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の波力発電システム。
前記波力発電装置の前記変換機構が、前記フロートに設置されたフロート側磁石と、前記胴体内に配置され且つ該フロート側磁石と磁気的に結合可能に構成された胴体側磁石と、該胴体側磁石に固定されたラックと、該ラックに連結されたピニオンギアと、を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の波力発電システム。