JP4669899B2 - 水流加速用の構築体 - Google Patents

Description

本発明は、海の波または河川水を利用する水流エネルギーの発電用施設に係り、特に海の波浪や河川水の流速を加速（増大）させる構築体に関する。

河川が多く、四方を海に囲まれたわが国では、河川水エネルギーあるいは海洋の波エネルギーを大量安価に入手できることから、これらの水流エネルギーを利用した発電についてさまざまな提案がなされている。

海洋で行う波力発電は、一次変換（波エネルギーをどういった種類のエネルギーに変換するか）の観点からなされる。従来から採用されている方式としては、空気エネルギーに変換する方式、機械的なエネルギーに変換する方式、水の位置エネルギーまたは水流エネルギーに変換する方式がある。

本発明に係る構築体は、海洋の波や河川水を加速させて発電に用いる水流エネルギーの利用に関するものである。
なし

本発明が解決しようとする課題は、海の波または河川水を利用して発電用のタービンを回転させるときのエネルギー、とりわけ、発電に用いる流水の速度を如何にして効率的に加速（増大）させるかである。

従来の発電装置は、海の波や河川の水のエネルギーをそのまま、つまり流速を変えずに利用した。もちろん、従来からも海洋の波エネルギーの変換効率を高めるため、タービンの回転方式を往復回転利用型にする等、タービンそのものの改良はなされている。しかし、利用する流水の速度（流速）は海洋や河川の自然条件に委ねている。

海洋の波（流水）や河川水（流水）を利用すれば、発電用のタービンを回転駆動することは可能である。しかし、海洋の波は季節や時刻によって波のサイクル（水流エネルギーの量）が大きく異なるし、河川の流水も季節や降雨量によって水量や流速（水流エネルギーの量）が大きく異なる。

このため、発電用の設備を設ける箇所を選定するにしても、選定候補となる地点の計測当日の自然条件等によって、期待した発電量が得られないケースや、不必要な過剰設備が必要と判断されて発電施設そのものの誘致や設立が反対されるなど、不合理な結果を招くことが少なくない。

そこで、本発明の目的は、発電用タービンを駆動する流水の速度を構築体によって加速増大させることにより、日時や季節等によって変動しやすかった発電量を、安定して高い水準に維持できるように改善する点にある。

前記目的を達成して、課題を解決するため、本発明に係る水流加速用の構築体は、水流の下流側から上流側に向かって拡開させた平面略Ｖ字状の拡開堤部と、この拡開堤部の下流側端部に連接して設けた平行堤部とを備え、前記拡開堤部の上流側と前記平行堤部の下流側とを開放する一方、前記拡開堤部は、上流側から下流側に向かって堤高を漸次増大させ、前記平行堤部は、上流側から下流側に向かって堤高を漸次減少させ、当該平行堤部の上に蓋体を設ける（請求項１）。

請求項１の構築体は、平面略Ｖ字状の拡開堤部によって海の波または河川水を下流側（海洋の場合は岸側）へ導入する。波または河川水を取り込む上流側（海洋の場合は沖合側）は、広がった開口となっているので、大量の波（海水）または河川水を取り込んで平行堤部（略平行な二つの平面直線状の堤）を介して流速を増大させつつ下流側へ移動させることが出来る。

拡開堤部は、上流側から下流側に向かって堤高を漸次増大させてあるので、海が凪いでいるときや河川水量が少ないときも、拡開堤部に連接する平行堤部には、より多くの水を送り込むことが出来る。

また、平行堤部の上には蓋体を設けるので、海が荒れたとき（時化）や降雨によって河川が増水したときも、拡開堤部に連接する平行堤部には、過剰の水は導入されない。蓋体と平行堤部が作る開口の大きさによって、下流側に送り込まれる水は一定の断面積量を超えないからである。

平行堤部は、上流側から下流側に向かって堤高を漸次減少させる。これは、上部に蓋体をもった平行堤部内を流れる水の流速を加速するためである。平行堤部の堤高を上流側から下流側に向かって漸次減少させると、蓋体と平行堤部が作る断面積も上流から下流に向かって漸次減少するため、その内部を流れる水はノズルの原理と同様に流速を増大させる。ノズルと同様の効果を得るため、平行堤部の下流端末は解放しておくことが望ましい。なお、平行堤部の堤高を一定として蓋体を設けない場合でも水の流速を高めることが出来る。しかし、請求項１のように堤高を水の下流側に向かって低減させ、その上部に蓋体を設けた場合は、堤高一定で無蓋の場合に較べて流速増加の信頼性を高めることが出来る。

請求項２は、平行堤部の上に設ける蓋体の形状に関するもので、蓋体を断面略円弧状とするものである。

蓋体は、平行堤部と相俟って水量を調節する役割を持っている。蓋体を断面略円弧状とすれば、平行堤部の堤高に基づく流水可能量以上に大きな断面積を構成して流水量を増大できるため、平行堤部の構築に要する工費を削減でき、施工後における水量調整も比較的容易に行うことが可能となる。

本発明に係る構築体によれば、構築体に導入した海の波や河川水の速度を下流側に向かって高めることができるため、タービンの回転羽根に対して衝突させる水流のエネルギー量を確実に増大させることが出来る。また構築体に導入する最大水量が一定量以下に抑えられるため、従来、季節や日時等の条件に左右されがちだった水流エネルギー利用発電（海の波または河川水を利用した発電）において、安定した発電量を得ることが可能となる。海の時化や河川の氾濫時にも、過剰な量の水が発電タービンを一気に襲って破損事故を起こすことがないため、発電設備の信頼性を高め得る。

実施形態に係る構築体の全体構造を例示する斜視図である。 実施形態に係る構築体の全体構造を例示する平面図である。 実施形態に係る構築体の堤高例を示す第一の図である。 実施形態に係る構築体の堤高例を示す第二の図である。 実施形態に係る蓋体の断面を例示する図である。 実施形態に係る消波用のコンクリートブロックを例示する図である。

図１、図２は、本発明に係る水流加速用の構築体１０の一実施形態を示すものである。この構築体１０は、岸側から海側に向かって拡開させた平面略Ｖ字状の拡開堤部１１と、この拡開堤部１１の岸側端部に連接して設けた直線状の平行堤部１２と、この平行堤部１２の上に設けた蓋体１４を備えてなる。符号Ｆは海岸線、符号Ｑは、発電用タービンの設置箇所を例示するものである。

海の場合、海岸線付近では水流（波）は海側から岸側に流れるので、海岸線Ｆに近い場所に構築する構築体１０の拡開堤部１１は、上流である海側（沖側）に向かって拡開させ、下流側（岸側）に設ける平行堤部１２により多くの水（海水）を送り込むことが出来るようにしておく。拡開堤部１１の角度は、押し寄せる波によって破損が生じにくい角度、例えば２５〜４５度の拡開角度とすることが望ましい。

拡開堤部１１は、流水である波の上流側（海側）から下流側（岸側）に向かって堤高を漸次増大させる。堤高の増大率（勾配率）は、拡開堤部１１の長手方向の寸法によって変えることが望ましいが、３０度以下の緩やかな勾配角度をもって設計することが望ましい。拡開堤部１１の堤高を下流側（岸側）に向かって増大させる理由は、拡開堤部１１に連接させる平行堤部１２により多くの水（海水）を送り込むためである。

平行堤部１２に大量の水（海水）を送り込むことだけを目的とするならば、拡開堤部１１と接続する平行堤部１２の開口断面を単純に大きくすれば良い。しかしながら、平行堤部１２の横幅（離隔幅）を過剰に大きく設計すると、構築体１０の専有面積が肥大して建設コストが嵩む不利がある。このため、平行堤部１２の離隔幅は、一般の小規模施設では１〜５ｍ程度とすることが望ましい。

また、平行堤部１２の長手方向の寸法は、拡開堤部１１の長手方向の寸法に較べて、長尺に設計することが望ましい。従って、平行堤部１２の堤上面の傾斜角度は、通常の場合、拡開堤部１１の堤上面の傾斜角度より緩やかな角度となってあらわれる。

一方、拡開堤部１１と平行堤部１２の連接部分（接続部分）を、構築体１０の他の部分よりも高くすれば、平行堤部１２に対してより多くの水（海水）を効率的に送り込むことが出来る。なお、拡開堤部１１と平行堤部１２の連接部分（接続部分）の内側面（水の流路側となる内壁面）の平面形状は、急激な角度変化のないなめらかな湾曲面を呈するように形成することが望ましい。

平行堤部１２は、水（海水）の上流側（海側、沖側）から下流側（岸側）に向かって堤高を漸次減少させる。これは、平行堤部１２の断面積を上流側（海側、沖側）から下流側（岸側）に向かって漸次縮小させることによって、平行堤部１２に流れ込んだ水（海水）の流速を速める（高める）ためである。平行堤部１２は、上流（沖）から下流（岸）に向かって幅を略一定にしてあるので、堤高を変えることによって断面積を変えることが出来る。

本明細書でいう堤高は、海底の基礎面（底面）から拡開堤部１１または平行堤部１２の上端までの寸法である。図３に示すように、例えばコンクリート成形（鋼板成形でも良い）した基礎面（底面）Ｔが略水平ならば水面Ｗに対して平行堤部１２の上端が下流（岸側）に向かって下降する姿勢をとっても良いし、図４に示すように、コンクリート成形（鋼板成形でも良い）した基礎面（底面）Ｔが下流（岸側）に向かって上昇しているならば、水面Ｗに対して平行堤部１２の上端が水面Ｗと平行となる姿勢をとっても良い。基礎面（底面）Ｔから露出している部分の姿勢（勾配）に関係なく、下流に向かって水の流速を速めるような断面縮小型になっているか否かが大切である。なお、コンクリートまたは鋼板を用いる基礎面（底面）Ｔは、海底の砂利や砂が掘削されるのを防止するためのものである。拡開堤部１１または平行堤部１２は、基礎面Ｔを作ってからその上に構築しても良いし、底面を備える断面Ｕ字状（コ字状）または矩形状（ロ字状）に一体成形しても良い。底面と一体成形する場合は、構築体を複数に分割して搬送、設置を容易にすることが望ましい。

平行堤部１２の上に設ける蓋体１４は、平行堤部１２に周囲から過剰な水（海水）が流入することを防止して、平行堤部１２の内部を流れる水（海水）の流量を一定以下に安定させる。なお、拡開堤部１１と平行堤部１２の接続部分（最高地点）は、通常は水面Ｗよりも上方に位置するよう設計する。拡開堤部１１と平行堤部１２の各端末部分は、通常は水面Ｗよりも下方に位置するよう設計することが望ましい。

蓋体１４は、平行堤部１２に流れ込む水の量を増大できるよう、断面逆Ｕ字状の断面アーチ型（円弧型）とすることが望ましい。断面アーチ型の蓋体１４を用いれば、図５に示すように、平行堤部１２の上端に平板状の蓋体１４−２を設けた場合に較べて、平行堤部１２を流れる水の流動面積を増大させることが出来る。

平行堤部１２の内部を下流に向かって流れる水（海水）の流速を高めるためには、断面アーチ型の蓋体１４の断面積も下流に向かって漸次小さくしてもよい。しかし、平行堤部１２の堤高を下流に向かって漸次減少させることにより流速を増大させることが出来るので、断面アーチ型であると否とを問わず、蓋体１４の形状（とくに断面形状）は上流側と下流側で均一ないし同一であっても構わない。

構築体１０は、例えばコンクリートによって形成する。蓋体１４には強い外力が働かないので、拡開堤部１１と平行堤部１２とをコンクリート成形した場合であっても、蓋体１４はコンクリート以外のもの、例えば鋼板等の金属板を使用して形成できる。

平行堤部１２の下流側の端末は開放し、上流から流れてきた水（海水）をそのまま下流側外部へ放出可能としておく。平行堤部１２の下流側の端末が、図１に示すように海岸線Ｆより海側に位置するときは、平行堤部１２を流れてきた水をそのまま岸側に放出できる。平行堤部１２の下流側の端末が、図６に示すように海岸線Ｆより突出して岸側に位置するときは、平行堤部１２を流れてきた水をそのまま岸側に放出すると岸辺の砂や砂利が流されて自然景観にダメージを与える可能性があるため、放出される水の勢いを低減させる消波ブロック等を、平行堤部１２の下流端末の開口前方に設けることが望ましい。形状は問わない。例えば海側に向かって略Ｖ字状を呈するコンクリートブロック２２を設置するだけでも砂や砂利の流失を押さえることが出来る。

従って、かかる構築体１０によれば、海洋の沖から岸に向かって流れ来る波を拡開堤部１１を介して平行堤部１２に送り込み、平行堤部１２において岸側に向かって水（波）の流速を加速させて、平行堤部１２の適宜位置（例えば端末近傍）に設置する発電用タービン（Ｑ）を効率よく回転駆動させることが出来る。

また、水（海水）の流速を高めるだけではなく、発電用タービン（Ｑ）を駆動する水（海水）の量を、蓋体１４によって一定以下に抑えてある（調整してある）ため、海が荒れたときのように、水（海水）の流勢が異常に高まったときでも平行堤部１２に流入する水量は一定であり、発電用タービン（Ｑ）に過度の負担をかけない。このため、送り込む水（海水）の量を調整しない場合に較べて、発電用タービンＱの破損確率を確実に低減することが可能となる。

なお、発電用タービン（Ｑ）は、平行堤部１２の端末近傍に一個または複数個を設ける。水（海水）の流れによって回転駆動されるタービン（Ｑ）の羽根車は、例えば、バケット状または平板状のものを使用する。発電機は、発電用タービン（Ｑ）と一体に設けても良いし、発電用タービン（Ｑ）から離れた位置（例えば陸上の適宜箇所）に設置しても良い。

本願発明に係る構築体は、海の波を利用するものに限らず、河川の流水を利用することも出来る。上流側に拡開堤部１１を設けて導入した河川水を平行堤部１２に送り込むことによって、海洋の波の場合と同様に水（河川水）を下流に向かって加速させることが出来るからである。この場合は、河川の主流部分に構築体を設けても良いし、主流の脇に専用の導水路を設けて当該導水路に構築体を設けても良い。

大量の降雨によって河川が氾濫することはあるが、本願発明に係る構築体（１０）は蓋体（１４）を備えるので、発電用タービン（Ｑ）に向かって流れる水量は一定以下に抑制され、大量の降雨時（河川氾濫時）における発電用タービンの破損事故や流出事故を防止できる。

１０ 構築体
１１ 拡開堤部
１２ 平行堤部
１４、１４−２ 蓋体
２２ コンクリートブロック
Ｆ 海岸線
Ｔ 基礎面
Ｗ 水面
Ｑ 発電用タービンの設置箇所

Claims (1)

1. 海の波を加速させる構築体であって、
   この構築体は、海岸線付近に設けるものであり、
   岸側から沖側に向かって拡開させた平面略Ｖ字状の拡開堤部と、
   この拡開堤部の岸側端部に連接して設けた平行堤部とを備え、
   前記拡開堤部の沖側と前記平行堤部の岸側とを開放する一方、
   前記拡開堤部は、沖側から岸側に向かって堤高を漸次増大させ、
   前記平行堤部は、沖側から岸側に向かって堤高を漸次減少させ、
   当該平行堤部の上に断面略円弧状の蓋体を設けることを特徴とする水流加速用の構築体。

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