JP5182755B2 - 波浪発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、クリーンエネルギーとしての波浪（波力）を利用した波浪発電装置に関する。

持続可能な循環型社会の構築を目指してエネルギー問題を着実に解決する必要がある。地球表面の２／３を覆っている海洋は、世界の陸地に存在する包蔵水力１９．４兆ｋＷｈより理論上３桁以上のエネルギーを包蔵している。その未利用潜在能力は一面、希望を持たせてくれるように錯覚するが、従来技術の延長線上で対応できるほど楽観的なものではない。海洋エネルギーは、エネルギー資源として余り開発されていないだけに、あらゆる面でもともと使いづらい資源であり、個々の資源環境に適した新たな利用技術を準備しないと、取らぬ狸の皮算用になりかねない。

波力に着目すると、波のエネルギーを直接油圧シリンダーで吸収する方式、振り子方式、ブリストル振動ブイ方式、連結いかだ方式などがある。また、波のエネルギーを一旦空気エネルギーに変換（一次変換）して空気タービンを駆動する（二次変換）方法がある。一次変換には水平運動ＳＥＡクラム方式、振動水中方式があり、二次変換の空気タービンには、ウエルズ形と衝動形が用いられている。

現在の主流は上述の（１）振動水中方式（湾岸固定式と浮遊式がある）と空気タービンの組み合わせである。また、（２）越流波を浮遊プラットフオームに設けた上部タンクに集めるか、あるいは岸壁に固定した水車吸込み口に直接導き、下部海面との落差を利用して水車を駆動する方法も提案されている。

しかしながら、上記の（１）（２）の方式では、それぞれ、次のような問題を抱えている。（１）ケーソンや浮体の空気室での波浪エネルギー吸収率が悪く、かつタービンを駆動する空気は低密度のため出力の向上には限界があり、大容量の空気室を準備する必要がある。（２）越流波の集積効率が悪く、また水車を駆動する海水に多くの気泡が混在し、発電効率は期待できない。このように、両者とも、発電能力に比べて機器が大きくなり、また建設初期コストが膨大となる。このことは，未だに大容量商用発電所が現れない理由のひとつである。

一方、このような従来の波浪エネルギー／電力変換装置の問題を解消する波浪発電装置として、特許文献１，２に開示されているような相反転方式水力発電装置がある。

特許文献１に開示された発電装置を図９に示す。同図に示されているように、この発電装置は、ブイ３１に鋼索３２を介して支持された上下方向に長い円筒状の筒体３３の上下に、それぞれ軸受３４，３５に支持された２個の水車（一般的にはランナと呼ぶ）３６，３７を互いに反対方向に回転するように設け、一方の水車３６と発電機３８を一体に内設した内筒３９とを一体化するとともに、他方の水車３７の水車軸４０を内筒３９の下端開口を通して発電機３８に連結したものである。なお、４１，４２は各軸受３４，３５を内筒３９に一体に支持する支材である。
ここで、発電機３８への入力軸、すなわち下方の水車３７の水車軸４０に対する軸封はシール等を用いず、上方の軸受３４から上方の水車３６の中空水車軸を通して内筒３９内に圧縮空気を供給することにより行われる。

したがって、波高変動に伴って上下変動するブイ３１により筒体３３が上下移動し、それに伴って筒体３３内に上下方向に正逆水流が発生すると、各水車はそれぞれ互いに反対方向に回転し、内筒３９の発電機３８が上方の水車３６とともに回転するとともに、発電機３８の軸が下方の水車３７の回転とともに発電機３８とは反対方向に回転し、発電機３８に増速された回転力が与えられることになる。また、この場合、２個の水車３６，３７が互いに反対方向に回転するため、筒体３３が水車３６，３７の回転の影響を受けることがなくなり、筒体３３の回り止めが不要になる。

特開昭６１−２６１６７７号公報 特開平１０−２０１１９７号公報

このように、特許文献１に記載された相反転方式水力発電装置は、上方の水車（以降，ランナと呼ぶ）と下方のランナが互いに反対方向に回転するために、同じ波浪の上下の相対移動量に対し、従来の方式よりも２倍の相対回転速度すなわち起電圧（磁界を切る速度に比例）を得ることができることが利点である。
しかし、この相反転方式水力発電装置を１個のフロートに吊して使用すると、波浪１波長分の上下単振動運動エネルギーしか利用できないという問題点を有している。

本発明は、簡単な浮遊形式で波浪の上下運動エネルギーを格段に効率よく電力に変換することのできる波浪発電装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第１の構成に係る波浪発電装置は、フロートを波浪の１ピッチ位置に対で設け、前記対のフロートの中間位置に水力発電ユニット全体あるいはランナ部を没水させたことを特徴とする。

絶対座標系での波浪による発電装置の運動はフロートの上下によって決定される。従来はこの運動を利用している。しかし、本装置では波浪１周期の位置にフロートを対で設けるので、その中間位置の波浪の上下運動はフロートの運動と逆になる。すなわち、水力発電ユニットに与えられる速度は２倍、すなわち動力（仕事率、速度の３乗に比例）は従来方式の２倍となる。これにより、１点の波浪の上下動を利用した水力発電ユニットに対し、波浪の上下運動エネルギーを格段に効率よく電力に変換することができる。
本発明の第２の構成に係る波浪発電装置は、フロートを波浪の１ピッチ間隔で複数設け、各フロートの中間位置にそれぞれ水力発電ユニット全体あるいはランナ部を没水させて設けたことを特徴とする。

この第２の構成においては、多数のフロートを波浪の１ピッチ間隔で数ピッチ配置し、各ピッチの中間位置において、水力発電ユニットをフロートにより支持したものである。これにより、第１の構成の波浪発電装置が単数の水力発電ユニットにより構成されているのに対し、複数の水力発電ユニットを有するので、一極集中大容量発電が可能となる。

本発明の第３の構成に係る波浪発電装置は、第１の構成または第２の構成の水力発電ユニットとして、相反転方式水力発電装置を用いたことを特徴とする。
上述したように、相反転方式水力発電装置は、従来の方式よりも起電圧を高めて送電ロスを減少させるとともに、内外二重の回転電機子（前後二段のランナ）に働く相反回転トルクがユニット内で相殺されるので反作用としての力を外部に一切出さない。後者はランナ径をいくら大きくとっても装置全体は静止していることを意味し、一基での大容量化が期待できるとともに、ワイヤ１本でも簡単に係留できる。

本発明の波浪発電装置は、フロートを波浪の１ピッチ位置に対で設け、前記対のフロートの中間位置に水力発電ユニット全体あるいはランナ部を没水させた構成であるので、従来の、１点の波浪の上下動を利用した発電装置に対して８倍の動力（仕事率）を発電装置に与えることができ、波浪の上下運動エネルギーを格段に効率よく電力に変換することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて具体的に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る波浪発電装置を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。図において、波浪Ｗの１周期分のピッチでフロート１が配置され、フロート１の中心位置に相反転方式水力発電ユニット２が配置されている。本例では、相反転方式水力発電ユニット２のケーシングに剛体であるアーム３が固定され、アーム３の先端にフレキシブルジョイント５が設けられ、フレキシブルジョイント５とフロート１をハンガーロッド４でほぼ垂直に連結することにより、相反転方式水力発電ユニット２がフロート１の上下動に応じて上下動するように構成されている。なお、相反転方式水力発電ユニット２をフロート１に係留する方法としては、図１に示す例のほかに、図２に示すようにアーム３を相反転方式水力発電ユニット２のケーシングの上部に設け、先端部を水中に曲げて、その先端にハンガーロッド４の下端を連結してハンガーロッド４の上端をフロート１に結合する構成としてもよい。また、図３に示すようにアーム３を相反転方式水力発電ユニット２のケーシングの上部に設け、アーム３を伸ばした先端の下部に、フロート１を取り付けるようにしてもよい。

図４は、相反転方式水力発電ユニット２の例を示す断面図である。本例は没水発電機型であり、外側の円筒形ケーシング２１の中心部に、ステー羽根２２により外側回転電機子２３と内側回転電機子２４からなる発電部が固定されており、外側回転電機子２３を下部のランナ２６で回転させ、内側回転電機子２４を上部のランナ２５で下部のランナ２６とは逆方向に回転させることにより発電する構成となっている。

発電に有効な波浪の有義周期は普通５〜２０秒（日本近海では７秒程度）であり、上下運動に伴う流れ方向によって発電ユニットのランナの回転方向を変えることができない。このため、往復流でも回転方向が変わらないように、流れに対してランナブレードの翼弦を直角にするウエルズランナあるいは案内羽根を付加した衝動あるいは反動形ランナを上下にそれぞれ設ける。互いに逆方向に回転させる上下二段のランナは発電機の内外二重回転電機子にそれぞれ連結する。本発電ユニットでは回転モーメントが前後二段のランナ（内外の二重回転電機子）間で相殺されて外部に一切力が働かないので、浮遊方式でもランナ径を大きくとった簡易大容量発電が可能となる。本装置は浮遊形式のため、本装置本体は海底あるいは岸壁等にワイヤ等で緩やかに係留する。

図５は、相反転方式水力発電ユニット２の他の例を示す断面図である。本例は洋上発電機型であり、外側の円筒形ケーシング２１の中心部に、ステー羽根２２により上部のランナ２５と下部のランナ２６が海中で回転可能に支持されており、ケーシング２１の上方に、外側回転電機子２３と内側回転電機子２４からなる発電部が設けられている。外側回転電機子２３を上部のランナ２５で回転させ、内側回転電機子２４を下部のランナ２６で上部のランナ２５とは逆方向に回転させることにより発電する構成となっている。また、ステーを海上に設けて、海上から鉛直近くに海中まで柱を設け、海中にある柱の端に上記と同様な方法でフロートを連結すると、ステーの流動抵抗が排除できる。本装置も浮遊形式のため、本装置本体は海底あるいは岸壁等にワイヤ等で緩やかに係留する。

本発明の実施の形態における相反転方式水力発電ユニット２が、波浪の振幅の２倍の振幅の水の移動量を受ける理由について、図６を用いて説明する。図６（１）は、フロート１が波浪の山の位置にある状態、（２）は１／４周期後の状態、（３）は１／２周期後の谷の位置にある状態を示す。フロート１の位置をＰ、相反転方式水力発電ユニット２の水面からの上部ランナ位置をＱ、相反転方式水力発電ユニット２のフロート１からの高さの差をＬ、波浪の最大振幅をａとすると、図６（１）の状態では、Ｑ＝Ｌ−２ａ、（３）の状態ではＱ＝Ｌ＋２ａとなる。したがって、Ｐの移動量は２ａであるのに対し、Ｑの移動量は４ａとなり、Ｐの２倍となる。
一般的には、波浪の周波数をｆとすると、ＰとＱの位置の時間変化は次のようになる。
Ｐ＝ａ×ｃｏｓ（２πｆｔ）、Ｑ＝Ｌ−２Ｐ＝Ｌ−２ａ×ｃｏｓ（２πｆｔ）
この式からも、相反転方式水力発電ユニット２の位置は、波浪の振幅ａの２倍で上下動することが分かる。

絶対座標系での波浪による運動はフロートの上下によって決定される。従来はこの運動のみを利用している。しかし、本装置では波浪１周期の位置にフロート１を対で設けるので、その中間位置の波浪の上下運動はフロートの運動と逆になる。すなわち、ランナに与えられる速度は従来方式の２倍となる（動力は８倍）。ランナの回転速度は流速に比例するから、本発電ユニットのように前後二段のランナを互いに逆方向に回転させると、波浪の上下動の２倍と合わせて回転速度は従来の４倍となるので、電気質の確保、起電圧の増加が容易となる。また、このことは発電機の極数の減少、あるいは発電機径の縮小にもつながる。

図７は本発明の第２の実施の形態を示すものであり、フロート１を波浪の１ピッチ間隔で複数設け、各フロート１の中間位置にそれぞれ水力発電ユニット２を没水させて設けたものである。装置全体は、係留ケーブル６で海底あるいは岸壁等に、発電装置の上下動を妨げない状態に緩やかに係留している。各水力発電ユニット２で発電された電力を集電して取り出すことにより、高い電力量を得ることができる。
なお、この実施の形態において、１つの水力発電ユニットと、それと対のフロートからなるものを１セットとした場合、各セットをフリーにしておき、柔軟なワイヤ等でセット間をつなぐ構成とすることもできる。そうすると、セット単位で増設したり、メンテナンスのために１セット単位での移設、引き上げが容易となる。

実験例

水槽（幅６７０［ｍｍ］×長さ３０００［ｍｍ］×深さ［３２０ｍｍ］）に水を高さ１５０［ｍｍ］ほど入れ、水槽の長手方向３０００ｍｍの片方の端点に幅一杯に設けた半円柱を上下させることにより定常波を発生させた。この定常波の波長は１５００［ｍｍ］、周波数は０．８Ｈｚ、波の振幅（高低差）は１１０ｍｍであった。波浪１ピッチの位置にフロートを設け，その中間位置にランナハウジングとして上下を切り取ったペットボトルを設けた簡易モデルを水槽中の水に浮かべた。ランナハウジング位置の波高が高いほどランナハウジングは低い所（水深が深い）にあり、波浪の上下動とランナハウジングの上下動が相反していることが実証された。このとき、ランナハウジング内の相対流速は波浪周期の２倍近くになることを目視で確認した。

以上の説明は、本発明の構成に基づく理論的、実験的なものであるが、以下に、現実の海洋においても、設置しうることについて説明する。というのは、実際の海洋においては、波浪のピッチを決める波長が、季節によって変動して、ある時季ではフロートの間隔は波浪の１ピッチであっても、他の時季では波浪のピッチが変動して、相反転方式水力発電ユニットの移動が０（１／２ピッチのとき）になるのではないかという疑問があるからである。

日本の沿岸の各地点における波浪の観測地の統計値が気象庁のサイトに公表されている（http://www.data.kishou.go.jp/kaiyou/db/wave/stat/stat.php）。
このサイトに掲載された、沿岸波浪計接地点における有義波高の月／年平均値の例を図８に示す。なお、「有義波」とは、計測した波全部についての波高のうち、高い順から１／３まで取り出し、それらを平均したものである。

図８を見ると、周期の季節変動は大きい所では３５％であるが小さい所では１３％程度である。また有義波周期と波長は比例関係があると考えられる。季節変動は大きい３５％の場合であっても、フロート間の長さを当該変動％の平均長さに設定すれば、季節変動の影響は約半分になるので、季節による変動の影響は１７．５％ということになり実用上問題になるような数値ではない。１３％程度の場所を選定すれば実用上殆ど無視できる値であると考えられる。この程度の変動はフレキシブルジョイント５とハンガーロッド４等で対応できるから、本発明の波浪発電装置は、十分実現可能である。なお、波浪発電プラントは入念な事前調査に基づいて、波浪の周期や波高が安定している場所が選定されるので、このような危惧はさほど心配する必要なない。

波浪発電の実用化は世界中になく、現在進んでいるものでも実証試験中である。しかし、石油の高騰にもましてエネルギー危機が目前に迫っており、膨大な海洋エネルギーの有効利用は必須である。今後、クリーンエネルギーを創成するための波浪発電装置として、利用が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る波浪発電装置を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 本発明の第１の実施の形態におけるフロートの支持方法の他の例を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態におけるフロートの支持方法のさらに他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に用いる相反転方式水力発電ユニットの例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に用いる相反転方式水力発電ユニットの他の例を示す断面図である。 波浪の変動に伴うフロートと相反転方式水力発電ユニットの位置の変化を示す説明図である。 本発明の第２の実施の形態に係る波浪発電装置を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 気象庁のサイトに公表された、沿岸波浪計接地点における有義波高の月／年平均値をしめす表である。 特許文献１に開示された発電装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ フロート
２ 相反転方式水力発電ユニット
３ アーム
４ ハンガーロッド
５ フレキシブルジョイント
６ 係留ケーブル
２１ 円筒形ケーシング
２２ ステー羽根
２３ 外側回転電機子
２４ 内側回転電機子
２５ 上部のランナ
２６ 下部のランナ

Claims (1)

1. フロートを波浪の１ピッチ間隔で複数設け、各フロートの中間位置に、それぞれ相反転方式水力発電ユニット全体あるいはランナ部を没水させて設けたことを特徴とする波浪発電装置。

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