JP4958403B2 - Wave power generation method - Google Patents
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Description
本発明は、波力から電気エネルギーを取り出して発電する波力発電方法に関するものである。
The present invention relates to a wave power generation method for generating electric power by extracting electric energy from wave power.
波力発電は、海洋における波エネルギーを動力としてタービンを回転させるとともに発電機を作動させ、これを電気エネルギーに変換して利用する。この波エネルギーを利用するためには、これを空気エネルギーや機械的エネルギー等の力学的エネルギーに変換する。そして、この変換された力学的エネルギーを、さらにタービンや発電機等を用いて電気エネルギーとして取り出す。 In wave power generation, wave energy in the ocean is used as power to rotate a turbine and operate a generator, which is converted into electric energy for use. In order to use this wave energy, it is converted into mechanical energy such as air energy and mechanical energy. The converted mechanical energy is further taken out as electrical energy using a turbine, a generator or the like.
即ち、この波力発電は、波力を空気エネルギーに変換し、これに基づきタービンを回転させる方式と、波力を機械的なエネルギーに変換し、これに基づきタービンを回転させる方式の2つに大別されることになる。 In other words, this wave power generation is divided into two methods: a method for converting wave power into air energy and rotating the turbine based on this, and a method for converting wave power into mechanical energy and rotating the turbine based on this. It will be divided roughly.
波力を空気エネルギーに変換する方式として、従来において図14に示すような波力発電装置106が従来において提案されている。この波力発電装置106は、港湾等の海底に設けた広域面積のマウンド101に防波堤102を構築し、防波堤102にケーソンを上下方向に組み入れ、外洋水中に通じる開口部103aを形成させるとともに防波堤102に固着された空気室103と、当該空気室103の上部に配設された空気ダンパ室104並びに発電室105とを備えている。
Conventionally, a wave
波力発電装置106は、空気室103と空気ダンパ室104とを連通させた通気孔107と、空気ダンパ室104と発電室105とを連通させた入力口108、及び発電室105と外部とを連通させた吸排気口109とを各室の隔壁に形成させている。
The wave
また、通気孔107には、除塵用のスクリーン110が形成され、入力口108には、空気ダンパ室104内部に向けて入力管111が取り付けられ、さらにその先端にはフロート弁112が配設されている。発電室105の入力口108にはタービン113及び発電機114が配設されている。このような構成からなる波力発電装置106は、外洋の波が空気室103の水面を昇降させ、内部の空気を揺動させることにより、タービン113および発電機114を作動させて電気エネルギーを得る。
Further, a
また、特に近年において、特別の複雑な機構を用いることなく、空気室等建物の高さを高くせず、流体の持つ性質を利用することにより発電室105への海水の侵入を防ぐことが可能な波力発電装置も提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
In particular, in recent years, it is possible to prevent the intrusion of seawater into the
この特許文献1において開示される波力発電装置130では、例えば図15に示すように、空気室133とタービン143・発電機144を収納した発電室135の間に海水減勢室152を設け、空気室133と海水減勢室152とを通気管153で連通させ、海水減勢室152と発電室135のタービン143とを入力管154で連通させている。
In the wave
この波力発電装置130では、空気室133内における波圧力が上方の空気を昇降させ、通気管153、海水減勢室152を通じて連結されているタービン143を作動させることにより、電気エネルギーを取得するものであるが、異常な波高が作用したときの海面上昇時には、空気室133から上方に抜ける空気は通気管153で十分に小さく絞られ、海水減勢室152で拡張されることになる。その結果、海水減勢室152では海面の上昇速度が遅くなるため、特別な機構を設けなくとも海水の異常な上昇による影響を防止することができる。
In this wave
また、波力を機械的なエネルギーに変換する方式として、波力から振り子を通して発電機に力を加える、いわゆる振り子式と呼ばれる波力発電装置も提案されている。この振り子式では、波エネルギーを受圧板の振り子運動として捕捉し、油圧に変換する波力発電方式である。 As a method for converting wave power into mechanical energy, a so-called pendulum type wave power generation device that applies force from a wave force to a generator through a pendulum has been proposed. This pendulum type is a wave power generation system that captures wave energy as a pendulum motion of a pressure receiving plate and converts it into hydraulic pressure.
通常、沖合から進行してきた波が壁に当たると、後退する波が発生し、両方の波が混じり合って壁の前に定常波と呼ばれる波ができる。この定常波は水粒子が上下動する振動の「腹」と水平運動をする「節」の部分からなり、この節の部分に可動物体を置けば、そのエネルギーを吸収することができる。振り子式は、かかる可動物体として振り子を適用するものである。 Normally, when a wave traveling from offshore hits a wall, a retreating wave is generated, and both waves mix to form a wave called a standing wave in front of the wall. This standing wave consists of a “belly” of vibrations in which water particles move up and down and a “node” part that moves horizontally. If a movable object is placed on this node part, the energy can be absorbed. The pendulum type applies a pendulum as such a movable object.
また、波力発電用のタービンに関しても、特に近年において研究が進展し、例えば、特許文献2に開示されているように、波がもたらしてくれるエネルギーを最大限に取り込むことが可能な波力用案内板空気噴出口付無弁タービンも提案されている。この特許文献2において開示されているタービンでは、タービン外装部の上下に、空気の噴出口、吸引口ともなる切れ目を開け、回りを案内板を兼ねる空気噴出口で囲み、中にランナーを入れる。
ところで、上述した従来における波力発電装置では、波のエネルギーを空気エネルギーや機械的エネルギー等の力学的エネルギーに一度変換する必要があるところ、波のエネルギーで直接的にタービン等を回転させる構成と比較して、少量のエネルギーしか取得することができない。即ち、波のエネルギーを直接的に電気エネルギーに変換する場合と比較して、エネルギー効率を向上させることが困難であった。このため、イニシャルコストの方がはるかに高くなり、波力発電そのものの実現化へ向けて大きな障壁となっていた。 By the way, in the conventional wave power generator described above, it is necessary to once convert wave energy into mechanical energy such as air energy or mechanical energy. In comparison, only a small amount of energy can be obtained. That is, it is difficult to improve energy efficiency as compared with the case where wave energy is directly converted into electrical energy. For this reason, the initial cost has become much higher, which has become a major barrier to the realization of wave power generation itself.
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、エネルギー効率をより向上させることが可能な波力発電方法を提供することにある。
Accordingly, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a wave power generation method capable of further improving energy efficiency.
また、本発明を適用した波力発電方法は、互いに間隔を空けてそれぞれ立設された第1の壁並びに第2の壁と、この第1の壁の下端から第2の壁の下端にかけて略水平方向に向けて配設された水平板とにより囲まれてなるとともに、上記第1の壁の下部に開口部が形成された遊水室内で、水の渦流を発生させ、当該渦流に応じて、水面下にある羽根を固着させた回転軸を回転させ、その回転軸の回転に基づく電気エネルギーを取り出して発電する。
In addition, the wave power generation method to which the present invention is applied includes a first wall and a second wall that are erected at intervals from each other, and approximately from the lower end of the first wall to the lower end of the second wall. The water is surrounded by a horizontal plate disposed in the horizontal direction, and a vortex of water is generated in the water reserving chamber in which an opening is formed in the lower portion of the first wall, and according to the vortex, The rotating shaft to which the blades under the water surface are fixed is rotated, and electric energy based on the rotation of the rotating shaft is extracted to generate electric power.
円弧羽根を固着させた回転軸からなる水車は、この定常渦流に基づいて反時計周りに回転することになる。その結果、波エネルギーを直接的に電気エネルギーに変換することが可能となり、空気エネルギーや機械的エネルギー等の力学的エネルギーに一度変換する場合と比較して、エネルギー効率をより向上させることが可能となる。このため、イニシャルコストを抑えることが可能となり、波力発電そのものの実現性を大いに高めることが可能となる。 A water turbine having a rotating shaft to which arc blades are fixed rotates counterclockwise based on this steady vortex. As a result, wave energy can be directly converted into electrical energy, and energy efficiency can be further improved as compared to the case where it is once converted into mechanical energy such as air energy or mechanical energy. Become. For this reason, it becomes possible to suppress initial cost, and it becomes possible to greatly improve the feasibility of wave power generation itself.
以下、本発明を実施するための最良の形態として、波力から電気エネルギーを取り出して発電する波力発電方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
Hereinafter, as a best mode for carrying out the present invention, a wave power generation method for generating electric power by extracting electric energy from wave power will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明を適用した波力発電装置1を示している。この波力発電装置1は、下部透過型で、かつ異吃水2重カーテン式構造であり、海側の垂下壁2の吃水が、陸側の不透過壁3よりも浅くなるように調整されている。即ち、垂下壁2下端に位置する吃水下端部2aが不透過壁3下端に位置する吃水下端部3aよりも静水面4に近い位置になるように設けられている。また、これら垂下壁2と不透過壁3は、互いに間隔をあけて平行に配置されてなり、両壁2、3の間には遊水室10が形成されている。ちなみに、この遊水室10内における静水面4は、外部に対して開放されていることが前提となる。
FIG. 1 shows a
このような異吃水2重カーテン壁で構成されている波力発電装置1において、不透過壁3の吃水下端部3aと海底部5との間には、下部通水開口部6aが形成されている。
In the wave
また、下部通水開口部6aの上端に略一致する高さで、かつ、吃水下端部2aから吃水下端部3aにかけて、水平方向に没水平版8が配設されている。この没水平版8は、透過波低減および波の作用に伴う垂下壁2下端より発生する渦流水の制御や、その制御効果による沖向き一方向流の生成を可能とする。また、垂下壁2下端から没水平版8に至るまで開口部7が形成されている。この開口部7から遊水室10内へ海水が行き来することになる。
Further, a submerged
さらに、この波力発電装置1は、遊水室10内における特定の方向に生じた海水の渦流を動力として発電する発電部11が配設されている。
Further, the wave
この発電部11は、円弧羽根12を固着させたいわゆる水車としての役割を担う回転軸13と、海水の渦流に基づいてこの回転軸13を回転駆動させることにより、電気エネルギーを取り出して発電する図示しない発電機とを備えている。ちなみに、この円弧羽根12は、いかなる形状からなる羽根で構成されていてもよい。
The
図2(a)は、この発電部11を図1中A方向から見た図であり、図2(b)は、この発電部11の横断面図である。円弧羽根12は、例えば塩化ビニル等の材料で構成されてなり、回転軸13の周囲に略180°間隔で固着させている。ちなみに、この円弧羽根12は、かかる構成に限定される趣旨ではなく、いかなる形状で、またいかなる角度間隔で、いかなる枚数で構成されていてもよい。また、この回転軸13は、軸受け15により支持されている。この軸受け15は、例えば回転体として球体を用いたボールベアリング軸受け等が適用され、回転軸13の回転に伴う摩擦を効果的に減らすことができる。これにより、回転軸13は、波力を受けて円滑に回転駆動することが可能となるとともに、その位置が強力に保持されることになる。
2A is a view of the
回転軸13の両端には、それぞれ円板16が配設されている。この円板16を配設することにより、海水を効果的に取り込んで円弧羽根12を推進させることができ、ひいては回転軸13の回転駆動力を増加させることが可能となる。ちなみに、この円板16の構成は省略してもよい。この回転軸13は、上下方向において垂下壁2下端とほぼ同じ高さとなるように調整されていてもよい。
発電機14は、海水の渦流に基づく圧力を受けて、波エネルギーを回転軸13に基づく回転運動のエネルギーに変換し、これから運動エネルギーを取り出す、いわゆる原動機である。
The
なお、この図2に示す例においては、円弧羽根12と回転軸13からなる水車を2基設ける場合を例にとり説明をしたが、かかる構成に限定されるものではなく、1基以上であればいかなる数で構成されていてもよい。
In the example shown in FIG. 2, the case where two water turbines including the
このような構成からなる波力発電装置1では、没水平版8と海底との間に形成された海水透過部6によって潮流や波浪流等の流れの通水機能が維持されるとともに、遊水室10内でのピストンモードの波動運動を利用して吃水下端部3aより渦流れを発生し、波動運動のエネルギーを最終的に一方向流のエネルギーに効率的に変換する。
In the wave
このとき、没水平版8は、図3に示すように遊水室10内に図中の状態で反時計まわりの渦流を集積するとともに、この渦流が、海水透過部6中を流れる流体へ干渉を及ぼすことを抑えることが可能となる。別の表現をすれば、没水平版8は、海水透過部6において前後方向に延びる下部通水路を形成するもので、特に、この海水透過部6における天井面を形成する役目を果たしている。
At this time, as shown in FIG. 3, the submerged
このような没水平版8で形成される海水透過部6により、海水透過部6を流れる流体は、図3に示すように、所定方向の水流に強制的に整流され、かつ垂下壁2の海側に形成される時計回りの渦の影響を強く受けることから、波の一周期間で平均化すると海側に輸送される。すなわち、海水透過部6を形成する没水平版8は、陸側から海側に向かう海水の平均流を引き起す役割を果たすことになり、これにより港湾の内外において海水の交流がより促進されることになる。
As shown in FIG. 3, the fluid flowing through the seawater
また、このような海水透過部6を設けることにより、波運動に伴って垂下壁2下端より発生する反時計周りの渦流が遊水室10内において累積される。この渦流は、時間位相に関係なく、特定の回転方向へ定常的に生じる。この定常渦流の強さは、海水透過部6を介した沖向きの平均輸送流量の大きさにも関係している。
Further, by providing such a seawater
このため、円弧羽根12を固着させた回転軸13からなる水車は、この定常渦流に基づいて反時計周りに回転することになる。その結果、波エネルギーを直接的に電気エネルギーに変換することが可能となり、空気エネルギーや機械的エネルギー等の力学的エネルギーに一度変換する場合と比較して、エネルギー効率をより向上させることが可能となる。このため、イニシャルコストを抑えることが可能となり、波力発電そのものの実現性を大いに高めることが可能となる。
For this reason, the water wheel consisting of the
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば図4に示すように遊水室10の少なくとも一の隅部につき面取りがなされた面取り部9が形成されていてもよい。これにより、上述した定常渦流をより効率的に生成することが可能となり、エネルギー効率をさらに向上させることも可能となる。
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, For example, as shown in FIG. 4, the
以下、このような遊水室10内の渦流の回転運動エネルギーを円弧羽根12により取り込むことによる発電利用への可能性につき検討した結果につき説明をする。
Hereinafter, the result of examining the possibility of utilizing the power generation by taking in the rotational kinetic energy of the vortex flow in the
この検討実験につき使用したモデルは、図1に示すような波力発電装置1と同一断面であり、1基の堤体長は50cmである。実験では、この波力発電装置1の模型21を2基製作して、1mの水路幅全体を占めるようにした。ちなみに、製作した模型21の縮尺は1/20である。
The model used for this examination experiment has the same cross section as the
次に、この製作した波力発電装置1の模型21を造波水槽中に設ける。この造波水槽20は、図5に示すように、長さ100m、幅2m、高さ2mの長水路である。造波水槽20は、コンクリート製の隔壁28により幅方向にほぼ2等分されており、片側1m幅の試験水路20a内にこの波力発電装置1の模型21を2基固定した。この造波水槽20におけるもう一方の水路20bには、端部に透過性の消波工22が設けられている。これにより、試験水路20aにおいて平均流が生じたときに容易に流れが還流して水位差が生じることを防ぐことが可能となる。
Next, the
試験水路20aでは、1/30勾配の斜面25が形成され、その頂部25aに滑らかに接続するように水平床26が敷設されている。模型21は、この水平床26上において図示しないボルトとナットで固定した。ちなみに、この模型21における回転軸13の設置位置は、特定の波条件に対して最も回転数が多いと考えられる位置を、複数回の試行錯誤の後に選定したものである。
In the
また、実験では、試験水路内の1/30斜面の始端部付近に設けた図示しない容量式波高計で入射波の波高を測定した。また、模型21からの反射波に関しては、かかる模型21の海側に2台の容量式波高計を設置し、水面変動記録を読み取ることによりその波高を測定した。さらに、これら2台の波高計の水面変動記録から、入反射波の分離推定法を介して反射率を求めた。
In the experiment, the wave height of the incident wave was measured with a capacitive wave height meter (not shown) provided near the start end of the 1/30 slope in the test channel. Regarding the reflected wave from the
また、模型21の陸側と、模型21における遊水室10内には、それぞれ1台ずつの容量式波高計を設置することにより、透過波高と、遊水室10内の波高とを測定することができるようにした。
Further, by installing one capacitive wave height meter on the land side of the
また、海水透過部6における水平流速を測定することができるようにするため、下部通水開口部6a周辺において電磁流速計を設置した。
Moreover, in order to be able to measure the horizontal flow velocity in the seawater permeation |
また、波条件は、下記表に示すような条件を用いた。
図6は、円弧羽根12の波一周期当たりの回転数Nを波周期Tによる変化で表したものである。この図6より、円弧羽根12の波一周期あたりの回転数Nは、波周期が長く、作用波高Hが大きい場合において多くなり、ほぼ2.5回転程度であることが認められる。
FIG. 6 shows the number of rotations N of the
作用波高Hが大きいと回転数Nが増加する理由としては、垂下壁2下端からの渦の量が過度に増加するためであると考えられる。また、作用波の周期が長くなると回転数が増加する理由としては、遊水室10内におけるピストンモード波動運動の増幅度が長周期側で大きくなるためであると考えられる。これは、円弧羽根12の回転数と波長L・遊水室幅Bの比(=L/B)の関係を示す図7や、かかるL/Bに対する反射率Cr、透過率Ctの関係を示す図8との比較からもある程度類推することができる。
The reason why the rotational speed N increases when the acting wave height H is large is considered to be that the amount of vortex from the lower end of the hanging
図9は、円弧羽根12の平均回転角速度を示している。いずれの周期条件においても、作用波高が大きいときに平均回転角速度が高速になる傾向を示している。そして、回転角速度は、波周期による変化があまりみられず、作用波高Hが10cm程度であるとき8〜9radian/s程度であった。本実験では、作用波高として5cmと10cmの2種類しか採用していないが、より高い波高の条件下では更に回転角速度は増加すると推測される。
FIG. 9 shows the average rotational angular velocity of the
図10は、代表例として波周期Tが1.4sのときにおける円弧羽根12の回転速度の時間的な変化を示している。この図10から、回転角速度は、時間的な変動成分を有するものの定常的な速度成分が卓越した大きさであることが認められ、波力発電の動力源として利用することができることを示唆している。
FIG. 10 shows a temporal change in the rotational speed of the
図11は、遊水室内に水車を設置したときにおける反射率Crと透過率Ctの結果を、波長・遊水室幅比L/Bの変化で示している。この図11では、減衰波理論による算定結果についても示してある。但し、この算定結果では、水車の影響はないものと仮定している。 FIG. 11 shows the results of the reflectance Cr and the transmittance Ct when a water turbine is installed in the water reserving chamber, as a change in the wavelength / water reserving chamber width ratio L / B. In FIG. 11, the calculation result by the attenuation wave theory is also shown. However, in this calculation result, it is assumed that there is no influence from the turbine.
この図11と水車の存在しない図8との比較から、水車を設置することによる影響は、反射率の極小値が現われるL/Bの条件がそれの大きな長周期側に移行するようになることが分かる。但し、透過率に関しては、水車の設置による影響は殆どみられなかった。 From the comparison between FIG. 11 and FIG. 8 where there is no water wheel, the effect of installing the water wheel is that the L / B condition in which the minimum value of the reflectance appears shifts to the larger long period side. I understand. However, with respect to the transmittance, there was almost no effect due to the installation of the water turbine.
図12は、遊水室10内における波高のL/Bによる変化を示している。この図12では、遊水室10内における波高Hcを入射波高Hで除した波高増幅度で表してある。
FIG. 12 shows the change of the wave height in the
この図から、反射率が低減するのは、波高増幅度が比較的大きくなるL/B=12付近であることや、水車の回転数が2.5回転/周期と増加するのもこの条件以降であることが確認できる。このように、反射波の逸散や水車の回転数が著しくなるのは、原因としては遊水室内のピストンモードの波動運動の増幅によるものと考えられる。 From this figure, the reflectance is reduced in the vicinity of L / B = 12, where the wave height amplification is relatively large, and the rotation speed of the water turbine increases to 2.5 rotations / cycle after this condition. It can be confirmed that Thus, it is considered that the reason why the reflected wave divergence and the rotation speed of the water turbine become remarkable is due to the amplification of the piston mode wave motion in the water-reservoir chamber.
以上、波エネルギーの取得を目的として、遊水室10内に形成される渦流れの運動エネルギーを利用する方法の有効性につき、実験的検討を行ってきた。
As described above, for the purpose of acquiring wave energy, experimental studies have been conducted on the effectiveness of the method using the kinetic energy of the vortex flow formed in the
その結果、遊水室10内に設けられた水車は、遊水室10内に発生する一方向回転渦により、波の一周期当り1.5〜2.5回転程度の割合で一方向に回転することが判明した。そして、その回転数は、入射波高及び波周期が大きくなると増大傾向を示すことも確認することができた。
As a result, the water wheel provided in the
そして、この波力発電装置1を防波堤として併用する場合において、その防波堤の機能である、透過波及び反射波の低減に関しては、水車を遊水室10内に設けることによる影響は殆どみられないことが分かった。但し、反射率が極小となる波周期は、水車を設けることにより、多少ながら長周期側へ移行することが確認された。
And when this wave
なお、上述した実施の形態では、海側から陸側にかけて垂下壁2、不透過壁を配置する場合を例にとり説明をしたが、かかる構成に限定されるものではなく、海、河川、湖等の水の流れが存在する如何なる箇所において、いかなる方向へ向けて配設されていてもよい。
In the above-described embodiment, the case where the hanging
また、本発明を適用した波力発電装置1は、例えば図13に示すように、陸側の不透過壁3を岸31に接するようにして構成してもよい。この図13の構成において、上述した図1の構成と同一の要素、部材に関しては、同一の番号を付すことによりここでの説明を省略する。この図13の構成では、不透過壁3の下端を海底部5に固定させる結果、下部通水開口部6aに相当する部分にも不透過壁3が延設されることになる。また、海水透過部6において海水は通水することもなくなる。
The
かかる場合においても同様に、この開口部7から遊水室10内へ海水が行き来することになる。その結果、遊水室10内において定常渦流を発生させることが可能となり、円弧羽根12を固着させた回転軸13からなる水車を反時計周りに回転させることができ、発電させることが可能となる。
In such a case as well, seawater goes back and forth from the
また、この図13に示すように、陸側の不透過壁3を岸31に接触させることなく、海上においてこれを配設する場合も本発明に含めてもよいことは勿論である。
Further, as shown in FIG. 13, the present invention may include the case where the land-side
さらに、本発明を適用した波力発電装置1は、海側に設けられた垂下壁2並びに陸側に設けられた不透過壁3を設ける場合に限定されるものではなく、これらにつき、互いに間隔を空けてそれぞれ立設された第1の壁並びに第2の壁に代替してもよい。この第1の壁並びに第2の壁は、それぞれ海側、陸側に設けられる場合に限定されることなく、水中のいかなる箇所において配設されていてもよい。また、没水平版8も、いかなる水平板に代替するようにしてもよい。
Furthermore, the
1 波力発電装置
2 垂下壁
3 不透過壁
4 静水面
5 海底部
6 海水透過部
7 開口部
8 没水平版
9 面取り部
10 遊水室
11 発電部
12 円弧羽根
13 回転軸
14 発電機
15 軸受け
16 円板
DESCRIPTION OF
Claims (1)
当該渦流に応じて、水面下にある羽根を固着させた回転軸を回転させ、その回転軸の回転に基づく電気エネルギーを取り出して発電すること
を特徴とする波力発電方法。 A first wall and a second wall which are erected at intervals from each other, and a horizontal plate which is disposed in a substantially horizontal direction from the lower end of the first wall to the lower end of the second wall. A water eddy current is generated in the water reserving chamber which is surrounded and has an opening formed in the lower portion of the first wall;
A wave power generation method characterized in that, in accordance with the eddy current, a rotating shaft to which a blade under the water surface is fixed is rotated, and electric energy based on the rotation of the rotating shaft is extracted to generate electric power.
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