JP2816205B2

JP2816205B2 - 波動発電装置

Info

Publication number: JP2816205B2
Application number: JP1289045A
Authority: JP
Inventors: 俊広阿部
Original assignee: 池田毅; 俊広阿部; 太田祐次
Priority date: 1989-11-07
Filing date: 1989-11-07
Publication date: 1998-10-27
Anticipated expiration: 2013-10-27
Also published as: JPH03149356A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、波によって上下動するフロートの運動を利
用して、電力を発生する波動発電装置に関する。

［従来の技術］海上に設置したブイ等のフロートと波とが相対的に上
下動する運動を利用して発電する装置としては、特開昭
47−22099,54−50743,56−12064,58−183872,60−23056
7,61−226572,62−41974号公報等によって公知である。

ここで、上記公報によって提案されている波動発電装
置の代表例を、第３図，第４図に示す。

第３図では、下面を水中に開放した空気ピストン室20
0を海上に設置し、この上端開口部202にタービン204を
設けると共に、そのタービン204の回転により発電機206
を駆動するものである。この装置の発電原理は、空気ピ
ストン室200の内外の水位が、波によって落差Ｈを生ず
るので、この落差Ｈに起因して前記空気ピストン室200
内外の気圧が相違することを利用して、前記タービン20
4を駆動するものである。

一方、第４図に示す波動発電装置は、海底に打ち込ん
だ支柱210に対して、水面近傍にて上下動可能なブイ212
を設けている。発電機を内蔵する格納室214は、前記支
柱210の上端に固定され、スライドロッド216,216を介し
て前記ブイ212を上下動自在に支持している。前記スラ
イドロッド216,216と一体的に上下動可能なラック218,2
18が、前記格納室214内部に設けられると共に、このラ
ック218,218に対して噛合するピニオンギア220,220が設
けられている。そして、波によって前記ブイ212が上下
動すると、この上下動はスライドロッド216,216を介し
てラック218,218に伝達され、このラックの移動によっ
てピニオンギア220,220を回転することで、図示しない
発電機を駆動するものである。

［発明が解決しようとする課題］第３図に示す波動発電装置では、空気ピストン室200
内の圧力の変動を利用して動力を発生させるものである
が、原理的にも前記落差Ｈが1mの場合に0.1気圧の差圧
しか生じず、かつ、タービン204が配設される部分の径
が大きいとタービン204を回転駆動する圧力が少なくな
り、径が小さいと一サイクルにて空気ピストン室200の
内の空気が抜けきらず、また、空気ピストン室200内に
入る際の水の抵抗，空気ピストンの慣性などに起因し
て、装置が大がかりの割には発生するエネルギパワーが
少ないという問題があった。また、この波動発電装置
を、津波対策等に対処するため海上にて固定するために
は、莫大な費用がかかるという問題があった。

この点、第４図に示すようにブイ等のフロートを利用
する場合には、例えば1m³の海水を排除できるフロート
を設置した場合に、1.1tの浮力が生じ、このうちの有効
波動浮力を利用することにより、かなりの発電エネルギ
ーが得られる点で優れている。

しかしながら、第４図に示す波動発電装置にあたって
は、ブイ212を海上に固定するために、海底に対して支
柱210を打ち込み固定しなければならず、このための作
業が大がかりとなり、費用が膨大となる問題を有する。

さらに、海上の水位は干潮，満潮により異なり、かつ
この際の波動をも考慮すると、海上の水位は年間で5mほ
ど相違することがある。この際、第４図に示す波動発電
装置において年間を通じて波動を利用した発電を行うた
めには、前記ラック218の有効歯部長さを5m付近まで確
保しなければならず、このような装置を構成することは
実用上不可能である。

そこで、本発明の目的とするところは、比較的小スペ
ースの装置でありながら、干潮時，満潮時にあっても波
動によるフロートの上下動を利用した発電を効率良く行
うことができ、しかも、水域への設置作業が容易であ
り、設置費用を大幅に低減することができる波動発電装
置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］本発明は、フロートと、下端が重りによって水域底部に配置され、前記フロー
トを水域内に牽引する紐状又は帯状の牽引部材と、前記フロートに固定され、前記牽引部材の上端側を巻
き取るリールと、このリールに対して巻き取り方向に回転トルクを付与
するトルク付与手段と、前記牽引部材の途中に固定された中間フロートと、を有し、波による前記フロートの上下動に伴う前記リ
ールの回転に基づき、発電を行なうものである。

［作用］本発明によれば、フロートを水域に設置するための牽
引部材は、その下端が重りによって水域底部に配置さ
れ、上端側はリールに巻取られると共に、トルク付与手
段によって牽引部材の巻取り方向に常時回転トルクが付
与されているので、この牽引部材を所定のテンションで
張架することができる。そして、この牽引部材に支持さ
れたフロートが波動によって上昇する際には、前記トル
ク付与手段によってたるむことなく前記リールが巻戻さ
れ、フロートが波動によって下降する際にも、同様にた
るむことなくリールより巻取られるので、このフロート
の上下動を前記リールの回転駆動として確実に伝達し、
このリールの回転に基づき発電を行うことで、効率のよ
い波動発電を実現することが可能となる。

さらに本発明によれば、牽引部材の途中に中間フロー
トを設けることで、牽引部材あるいはその下端の重りに
異物が付着してそれらの重量が増加した場合でも、中間
フロートより下方の重量増加は中間フロートにより打ち
消すことができる。この結果、波動発電装置にて得られ
る発電エネルギーに寄与する有効浮力の減少を防止でき
るという効果がある。

ここで、この波動発電装置を水域に設置するに際して
は、水域底部に対する支柱の打ち込み作業等は一切要せ
ず、牽引部材の下端に固定されている重りを水域に投入
することによってのみ実現可能であるので、従来よりも
その設置作業が大幅に簡易化され、設置コストも大幅に
低減できる。

また、牽引部材はトルク付与手段によってテンション
が与えられているので、この牽引部材が鉛直方向に張架
される位置にてフロートを配設固定でき、しかも、仮に
波等によってフロートが転倒したとしても、牽引部材の
巻込み力によって元の状態に復帰できるという効果もあ
る。

さらに、水域の水位が、干潮，満潮あるいは津波等に
よって大幅に変化したとしても、予めこの分を見込んで
牽引部材長さを設定しておけば、余分の長さの牽引部材
はリールに巻取ることにより小スペース化が可能とな
り、しかも水域が上昇した場合には牽引部材を巻戻すこ
とにより水域内部の所定位置にロートを設置することが
可能となる。

［実施例］以下、本発明を適用した波動発電装置の一実施例につ
いて、図面を参照して具体的に説明する。

まず、この波動発電装置の全体構成について、第２図
を参照して説明する。

同図において、海等の水域10にはフロート12が設置さ
れている。また、このフロート12を水域10の下方に向け
て牽引し、かつ、波によってこのフロート12を上下動自
在に牽引支持するための牽引部材14が設けられている。
この牽引部材14の途中には中間フロート18が設けられ、
本実施例ではこの中間フロート18の上側の牽引部材をワ
イヤー14aとし、下側の牽引部材14を鎖14bとして構成し
ている。尚、この牽引部材14としては後述するワイヤー
リール30に巻取り可能な紐状または帯状のものであれば
よく、かつ、所定のテンションに耐え得る引張り強度を
有するものであれば、他の種々の部材にて構成すること
ができる。

前記鎖14bの下端側には、重りとしての碇16が接続さ
れ、牽引部材14の下端側は水底10bの一ヵ所にて固定さ
れることになる。

前記フロート12の上側には、前記ワイヤーリール30,
発電機等を搭載する格納室20が設けられ、さらにこの格
納室20の上側に波動発電によって点灯される電球22が設
けられている。

次に、前記フロート12および格納室20内部の構成につ
いて、第１図を参照して説明する。

前記フロート12は、高さｈ＝20cm,直径ｄ＝90cmの円
筒形にて構成され、その中心部には下面側の口径を大と
し、上面側の口径を小とするテーパー状に連通する逃げ
部12aが形成され、前記中間フロート18を格納可能とし
ている。この中間フロート18の下面側に形成されたフラ
ンジ18aは、前記フロート12の逃げ部12aの下端周縁と当
接することにより、フロート12の下降移動時のストッパ
として作用することになる。

フロート12の上端側に設置される前記格納室20は、円
板状の基台20aを有するほぼ円錐形状にて形成され、前
記基台20aの中心部には前記ワイヤー14aを挿通する孔20
bを有すると共に、この孔20bを液密にシールするための
シール部材20cが設けられている。

前記ワイヤー14aの上端側を巻取るためのワイヤーリ
ール30は、前記基台20aに固定した支柱32,32に水平方向
に支持された軸34に対して回転自在に支持されている。
このワイヤーリール30は、その周面上に前記ワイヤー14
aの一端を固着することで、前記フロート12の上下動に
伴いこのワイヤー14aを巻取りあるいは巻戻し可能であ
る。さらに、ワイヤーリール30の両側には、巻取られる
ワイヤー14aの横方向のズレを防止するためのフランジ3
0a,30aが設けられている。

第１図において、前記ワイヤーリール30の左側には、
前記軸34に挿通された捩りコイルスプリング40が設けら
れている。この捩リコイルスプリング40の一端40aは、
前記ワイヤーリール30の一方のフランジ30aに固定さ
れ、その他端40bは前記支柱32に固定されている。この
捩りコイルスプリング40は、その捩れ方向のスプリング
力により前記ワイヤーリール30をその巻取り方向に回転
付勢するものであり、この意味において、捩りコイルス
プリング40はワイヤーリール30に巻取り方向の回転トル
クを付与するトルク付与手段を構成するものである。
尚、前記捩りコイルスプリング40としては、中空パイプ
に流体例えば油等を所定の圧力で封入することによりタ
ーンピッチを大きくするようにほぐした後、この後機械
的に前記ターンピッチを挟めるように巻締めることで構
成される回転エネルギー蓄積コイル（昭和62年５月30日
出願）を好適に採用することができる。

第１図に示すワイヤーリール30の右側のフランジ30a
には、一方向伝達クラッチ50が連結されている。この一
方向伝達クラッチ50は、ワイヤーリール30の両方向の回
転のうち、ワイヤー14aの巻取り時のみの回転をその出
力側に伝達するものである。この一方向伝達クラッチ50
の出力側には、前記軸34を中心に回転可能な第１のギア
52が設けられ、この第１のギア52は、前記支柱32に固定
された発電機54の軸に固定されている第２のギア56と歯
合している。そして、第1,第２のギア52,56の歯数を所
定に設定することにより、第１のギア52の１回転に対し
て第２のギア56を多回転駆動できるように構成してい
る。

次に、作用について説明する。

本実施例の装置の特徴的構成としては、フロート12を
水域10に設定するために、ワイヤー14aおよび鎖14bから
なる牽引部材14を用いている。しかも、牽引部材14の上
端側のワイヤー14aは、ワイヤーリール30に巻回され、
かつ、このワイヤーリール30は捩りコイルスプリング40
によってその巻取り方向に常時回転付勢されている。従
って、波によってフロート12が上昇する際には、上記テ
ンションによってワイヤー14aはたるむことなく確実に
巻戻され、フロート12が波によって下降する際には、上
記テンションによってワイヤー14aがたるむことなく巻
取られることになり、フロート12の上下動をワイヤーリ
ール30の回転駆動として確実に伝達できる。

本実施例では、前記ワイヤーリール30の巻取りテンシ
ョンとして、ワイヤー14aを確実に巻取り，巻戻しでき
るテンション力に加えて、このフロート12が波動によっ
て水平方向に移動した場合にも、常に碇16の真上に垂直
復帰できるようなテンションをも与えている。この結
果、この波動発電装置を航行する船舶ブイとして用いた
場合にも、その位置ずれを一定範囲に止めることができ
る。また、このようなテンションを与えることにより、
たとえフロート12が津波等によって横転したとしても、
ワイヤー14aの巻取りテンションによりこれを元の状態
に復帰させるという作用も行うことができる。さらに、
本実施例では上記捩りコイルスプリング40の巻取りテン
ションとして、上記２つの作用を行うものに加えて、フ
ロート12を例えば静水状態で2/3だけ水没できるような
張力を与えるよう作用させている。すなわち、フロート
12を水域10の水面10a上に設置した場合には、このフロ
ート12の自重によって排除できる体積に相当する海水の
重量分だけ浮力が作用することになるが、このフロート
12をそれ以上水没させることにより、フロート12の2/3
の体積分の排除できるので、その分後述する有効浮力を
多く確保できることになり、この結果波動発電エネルギ
ーを増大させることが可能となる。

そして、このような浮力による波動発電を行うに際し
て、フロート12の支持を牽引部材14を用いて行うことに
よる最大の効果は、下記の点にある。

すなわち、本実施例では、この波動発電装置を水域10
に設置するに際して、その下端に碇16を接続した牽引部
材14を海底に向けて投入するだけでよい点である。この
ように設置作業が簡易であるため、従来のように支柱を
海底にて打ち込みする作業等を一切要せず、しかもこの
ような波動発電装置を航路用ブイとして用いる場合に
は、波動発電装置を多数配設しなければならないため、
この数量をも考慮するとその設置費用の大幅なコストダ
ウンが実現できる。

さらに加えて、フロート12の支持として牽引部材14を
用いることにより、干潮，満潮の水位の差にかかわら
ず、常時確実な波動発電を行い得る。すなわち、海上の
水位は干潮，満潮を考慮すると年間を通じて3m程の差が
あり、しかも波の大きさをも考慮すると最大5mもの水位
の差が予想される。本実施例では、予め牽引部材14の長
さを干満潮，波の大小をも考慮して決定しておくことに
より、水位がいかに変化したとしても、波によるフロー
ト12の上下動をワイヤーリール30の回転駆動として利用
することが可能となる。この際、従来のようにラックの
長さを5m分確保するような大きさスペースを要せず、単
にワイヤー14aをワイヤーリール30に巻取るだけで対処
できるため、この装置のスペースを従来よりも大幅に小
型化することができる。

次に、この波動発生装置により発生できる電力につい
て考察する。

（１）フロート容積フロート12の直径ｄを90cmとし、その高さｈを20cmと
した場合、フロート容積Ａは下記の式より求められる。

Ａ＝π（0.9m/2）^２×0.2m＝0.127³ （２）フロート総浮力フロート12の全高ｈが水没したと仮定し、海水基準を
1.1とすると、フロート総浮力Ｂは下記の式より求めら
れる。

Ｂ＝Ａ×1.1＝0.135t （３）総浮力への配分波動発生装置の釣合い浮力＝45kg スプリングチャージ浮力＝45kg 有効波動浮力＝45kg ここで、のスプリングチャージ浮力は、前記ワイヤ
ーリール30を捩りコイルスプリング40によってその巻取
り方向に回転付勢することにより消費される浮力であ
る。

従って、前記総浮力Ｂのうち、自重釣合い浮力とスプ
リングチャージ浮力とが消費され、有効波動浮力による
上下動を波動発電エネルギーとして取り出すことが可能
となる。

（４）波動発電出力上記の波動発電装置での発電出力は、簡易化された下
記の式によって換算できる。

一例として、最も小さい波動幅Ｃとして20cmの波動を
想定し、前記発電効率Ｄ＝0.2,電力換算計数Ｅ＝8.6と
した場合には、本実施例装置での出力は下記のようにな
る。

ここで、上記実施例装置での発電作用について説明す
ると、例えばフロート12が波によって上昇した場合に
は、捩りコイルスプリング40によって巻取方向に回転付
勢されているワイヤーリール30は、フロート12の上昇分
だけワイヤー14aを巻戻し、この結果ワイヤーリール30
がその巻戻し方向に回転されることになる。この際、ワ
イヤーリール30の巻戻し方向の回転は、一方向伝達クラ
ッチ50を介在させることにより出力側の第１のギア52に
は伝達されない。また、ワイヤーリール30が巻戻し方向
に回転することにより、捩りコイルスプリング40はその
スプリングエネルギーを蓄積するように捩られることに
なる。この後、波によってフロート12が下降すると、こ
のフロート12の下降駆動力および捩りコイルスプリング
40に蓄積されたスプリング力の開放により、ワイヤー14
aはたるむことなくワイヤーリール30に巻取られ、この
結果フロート12の下降移動分だけワイヤーリール30が巻
戻し方向に回転することになる。そして、本実施例では
ワイヤーリール30の巻取り方向の回転を、一方向伝達ク
ラッチ50を介して第１のギア52に伝達し、これと歯合す
る第２のギア56を回転駆動することで発電機54での発電
を行っている。

ここで、上記出力換算式の第２項において、波動幅を
２で除算している理由は、本実施例においてワイヤーリ
ール30の両方向の回転に基づき電力を発生するのではな
く、フロート12の下降移動による一方向の回転にのみ基
づき電力を発生させていることによる。また、第２項に
おいてで除算している理由は、繰返し生ずる波動の実効値を得
るためである。尚、実施例では、上記換算式において発
電効率を20％としているが、これは機械的効率が最悪の
場合を想定したものであり、この発電効率は50％付近ま
で改良可能である。

以上のように、本実施例によれば牽引部材14を使用す
ることにより小型化された波動発電装置でありながら、
波動幅を20cmと想定した場合にあっても、電球22を常時
点灯するに足る電力を発電することができる。

尚、このような波動発動を行うに際して、牽引部材14
の途中に中間フロート18を設けるものが好ましい。すな
わち、牽引部材14に付着物例えば昆布や貝などが付着し
た場合には、牽引部材14の重量が増加し、この増加によ
りワイヤー14aを他方に引っ張り、その分だけワイヤー
リール30に巻き取られているワイヤー14aが巻戻される
ことになってしまう。この結果、その戻された分に相当
する有効波動浮力が減少し、電力発生に損失が生ずるこ
とになってしまう。そこで、中間フロート18を上記牽引
部材14の途中に設け、牽引部材14の下端側の鎖14b等へ
の異物の付着による重量増加をこの中間フロート18によ
って打ち消すことによって、上述した発生電力の損失を
防止することが可能となる。従って、特に水深の深い場
所にこの波動発電装置を設置する場合に、上記の中間フ
ロート18を設けることが有用である。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

例えば、上記実施例において発生される電力の一例を
示したが、この電力は、フロート12の容積を増大させる
ほど、あるいは上記換算式における発電効率Ｃを改善す
るほど大きくすることが可能であり、この発電装置によ
って単に電球22を点灯させること以外に、他の駆動用電
力として消費するものであってもよい。また、この波動
発電装置では、例えば電球22を点灯する場合にあって
は、その波動幅が最小の場合でも電球22を常時点灯でき
るだけのエネルギーが得られるように設計されるが、波
の大きい場合には、余剰の発生エネルギーを例えば蓄電
機などに蓄えておき、蓄えられたエネルギーを他の部材
の駆動の電力消費として用いるもののほか、波が静穏な
場合に、前記電球22に供給する予備のエネルギーとして
利用することも可能である。

また、本発明では、牽引部材を巻き取るリールに対し
て常時巻取方向に回転トルクを与えるトルク付与手段が
必要となるが、このトルク付与手段を付勢部材として構
成する場合には、上記実施例のような捩りコイルスプリ
ング40に限らず、例えばゼンマイなどを利用するもので
あってもよい。

また、このトルク付与手段は必ずしも機械的エネルギ
ーの蓄積された付勢部材に用いるものに限らず、例えば
この波動発電装置によって発電される余剰エネルギーに
よってモータを駆動し、このモータによってワイヤーリ
ール30にその巻取方向に回転トルクを与えるよう構成し
てもよい。

さらに、本発明では、波によるフロート12の上下動に
伴うリール30の回転に基づき、どのようにして発電を行
うかは任意に設計でき、上記実施例のようにフロート12
の下降移動の際の片方の回転力に基づき発電を行うもの
のほか、両方向の回転より発電を行うように構成しても
よい。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれは、下記の効果を
奏することができる。

下端の重りによって水域底部に配置され、トルク付
与手段によって常時巻取り方向に回転トルクが与えられ
るリールにその上端が巻取られる牽引部材によって、フ
ロートを水域内に牽引するという構成により、所定のテ
ンションで張架された牽引部材途中の前記フロートが、
波によって上下動した場合には、この移動をリールの回
転力として確実に伝達でき、このリールの回転に基づき
効率のよい波動発電を行うことができる。

この波動発電装置の水域への設置は、下端に重りが
接続された牽引部材を水域に投ずるだけでよく、従来の
ように水域での支柱などの打ち込み作業を一切要せず、
設置コストを大幅に低減することができる。

牽引部材は所定のテンションにて張架されているの
で、波によってフロートが流されても牽引部材の張力に
より所定の位置に復帰させることができる。また、津波
などによってフロートが横転しても、前記牽引部材のテ
ンションによりこれを元の状態に復帰させることもでき
る。

干潮，満潮により水域の水位が大幅に変化しても、
牽引部材をリールに巻取り，巻戻すことにより、常時フ
ロートを水域の水位に対応した位置に設置でき、何らの
調整も要せずに年間を通してこの波動発電を実現するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を航行用のブイに適用した実施例装置
の主要部の概略断面図、第２図は、実施例装置の全体構成を説明するための概略
説明図、第３図，第４図は、それぞれ従来の波動発電装置を説明
するための概略説明図である。 10……水域、12……フロート、 14……牽引部材、16……重り、 18……中間フロート、20………格納室、 30……ワイヤーリール、 40……トルク付与手段（捩りコイルスプリング）、 54……発電機。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F03B 13/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】フロートと、下端が重りによって水域底部に配置され、前記フロート
を水域内に牽引する紐状又は帯状の牽引部材と、前記フロートに固定され、前記牽引部材の上端側を巻き
取るリールと、このリールに対して巻き取り方向に回転トルクを付与す
るトルク付与手段と、前記牽引部材の途中に固定された中間フロートと、を有し、波による前記フロートの上下動に伴う前記リー
ルの回転に基づき、発電を行なうことを特徴とする波動
発電装置。
【請求項２】請求項（１）において、前記トルク付与手段は、巻き取り方向に前記リールを回
転付勢する付勢部材である波動発電装置。