JP5950324B2

JP5950324B2 - 波力発電システム及びその構築方法

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Publication number: JP5950324B2
Application number: JP2011172439A
Authority: JP
Inventors: 武晃宮▲ざき▼; 秀則茅野
Original assignee: 海洋エネルギーエンジニアリング株式会社
Priority date: 2011-08-06
Filing date: 2011-08-06
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2031-08-06
Also published as: JP2013036376A

Description

本発明は波力発電システム及びその構築方法に関するものであり、より詳細には、振動水柱の振動により空気室内に発生する空気振動流によって発電装置を作動させる固定式振動水柱型の波力発電システム及びその構築方法に関するものである。

海洋の波浪エネルギーを利用して発電する波力発電システムが知られている。波力発電システムをそのエネルギー変換方式より分類すると、主として、振動水柱型、可動物体型及び越波型に大別される。振動水柱型の波力発電システムは、装置内に配設した空気室を海面下で海洋に連通させ、海面の上下動により生じる空気振動流によって空気タービンを回転させて発電する方式の発電システムである。可動物体型の波力発電システムは、波浪エネルギーによって運動する可動物体を用い、可動物体を介して波のエネルギーを機械的運動エネルギーに変換して発電する方式の発電システムである。また、越波型の波力発電システムは、波を貯水池等に超波させて過渡的に貯留し、貯水池内の海水を導水溝によって重力下に海に排水する際に導水溝の水車を回転させて発電する方式の発電システムである。

また、波力発電システムをその設置方式より分類すると、装置を海面又は海中に浮遊させる浮体式と、装置を沖合又は沿岸部に固定する固定式とに大別される。固定式の振動水柱型波力発電システムの構成が、例えば、特開平10-246171号公報（特許文献１）に記載されている。

図１７は、固定式振動水柱型波力発電システムの構成を概略的に示す断面図である。一般に、固定式振動水柱型波力発電システムＳの構造体は、港湾等の海底Ｂに施工した広域面積のマウンドＭと、マウンドＭ上に構築された鉄筋コンクリート構造の防波堤Ｎ及びケーソンＣとから構成される。海水Ｗの海面下に開口する空気室Ａと、発電装置Ｇを収容する発電室Ｄと、各種計器類を収容する制御室Ｅとが、ケーソンＣによって形成される。防波堤Ｎ及びケーソンＣは、水面波のエネルギーを流体エネルギー（空気圧）に変換する一次変換装置を構成し、空気室Ａは、波浪エネルギーを吸収する波浪エネルギー吸収装置を構成する。

矢印αで示す海洋波の入波エネルギーにより、空気室Ａ内の水柱が上下方向に振動する。空気室Ａ内の水面が矢印β方向に上下動するので、空気室Ａの上部空間（空気柱）の空気圧が変動し、矢印γで示す往復気流が、通気孔Ｉを流通する。発電装置Ｇが通気孔Ｉに接続される。発電装置Ｇは往復気流γにより作動する。発電装置Ｇは、一次変換装置（防波堤Ｎ及びケーソンＣ）によって得られた流体エネルギー（空気圧）を電気エネルギーに変換する二次変換装置を構成する。発電装置Ｇとして、往復気流の作用により常に一定方向に回転する形式のウェルズタービン又は衝動型タービンを備えた発電装置が一般に使用される。発電装置Ｇの発電機によって発生した電力は、送電線等(図示せず)によって系外に送電される。なお、発電室Ｄは、発電室Ｄ内の空間を外気と連通せしめる給排気口Ｏを備え、往復気流γに相応した吸気流又は排気流が、矢印ηで示すように給排気口Ｏを流通する。

特開平10-246171号公報

しかしながら、このような従来の固定式振動水柱型波力発電システムにおいては、波力に対する安定性を確保するために、構造体（防波堤及びケーソン）の自重を増大する必要があるので、構造体の材料費又は資材費等が嵩み、しかも、このような構造体を沖合又は沿岸部の海中又は海上において施工する必要が生じることから、構造体の建設費が高額化する傾向がある。

また、固定式振動水柱型波力発電システムの設置場所は、防波堤及びケーソン等の構造体を施工可能な環境及び地形に限定される。

更に、固定式振動水柱型波力発電システムは、構造が比較的簡素であり、台風等の異常波浪に対する対策を講じ易いという点で可動物体型及び越波型の波力発電システムに比べて有利であるが、構造体の設計・施工においては、コンクリート等の経年劣化、塩害等に対する耐久性や、異常波浪、津波等のような極めて大きな外力に対する構造体強度等に関し、格別の考慮が必要となる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、多くの海岸部の地形及び環境に適応可能な簡素な構造を有し、材料費又は資材費や、建設費等を低廉化することができ、しかも、優れた耐力及び耐久性を発揮し得る固定式振動水柱型波力発電システムを提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明は、海水面の上下動により発生する空気の振動流によって発電装置を作動させる固定式振動水柱型波力発電システムにおいて、
沿岸の地盤又は岩盤を掘削又は削孔してなる穴又は坑であって、一端が海面下において海洋に開口し、他端が陸地において開口した穴又は坑により形成されている波浪エネルギー吸収装置と、
前記穴又は坑の陸地側開口部に連結され、該波浪エネルギー吸収装置の空気室の圧力変動により発生する往復気流によって作動して発電する発電装置とを有し、
前記波浪エネルギー吸収装置は、穴内又は坑内の海水面の上下動により空気圧が変動する前記空気室を前記海水面の上方域に画成し、
前記穴又は坑の海洋側部分は、入波エネルギーが前記穴又は坑の海洋側開口部から斜め上方に穴内又は坑内に供給されるように、前記海洋側開口部から斜め上方に地盤内又は岩盤内に延びることを特徴とする固定式振動水柱型波力発電システムを提供する。

本発明は又、海水面の上下動により発生する空気振動流によって発電装置を作動させる固定式振動水柱型波力発電システムの構築方法において、
一端が海面下において海洋に開口し、他端が陸地において開口する穴又は坑を沿岸の地盤又は岩盤に掘削又は削孔し、該穴又は坑によって波浪エネルギー吸収装置を形成する工程と、
該波浪エネルギー吸収装置の空気室の圧力変動により発生する往復気流によって作動して発電する発電装置を陸地側に配置する工程とを含み、
前記波浪エネルギー吸収装置は、穴内又は坑内の海水面の上下動により空気圧が変動する前記空気室を該海水面の上方域に画成し、
前記穴又は坑の海洋側部分は、入波エネルギーが前記穴又は坑の海洋側開口部から斜め上方に穴内又は坑内に供給されるように、前記海洋側開口部から斜め上方に地盤内又は岩盤内に延びることを特徴とする固定式振動水柱型波力発電システムの構築方法を提供する。

本発明の上記構成によれば、波浪エネルギー吸収装置は、沿岸の地盤又は岩盤によって形成される。波浪エネルギー吸収装置内の下部領域には、海洋側の開口を介して海洋の海水と連続する振動水柱が形成される。波浪エネルギーによる振動水柱の振動により穴内又は坑内の海水面が上下動し、空気室の空気圧が変動する。波浪エネルギー吸収装置の海洋側部分は、穴又は坑の海洋側開口部から斜め上方に地盤又は岩盤内に延びるように地盤又は岩盤に掘削又は削孔されるので、入波エネルギーは、海洋側開口部から斜め上方に波浪エネルギー吸収装置に供給される。かくして、本発明によれば、波浪エネルギー吸収装置は、沿岸の地盤又は岩盤によって形成されるので、多くの海岸部の地形及び環境に適応可能な簡素な構造を有する。また、本発明によれば、従来の装置のように防波堤及びケーソン等のような比較的大規模な人工構造物を要しないので、構造体構築のための材料費又は資材費を大幅に軽減することができる。更に、本発明によれば、人工構造物を沖合又は沿岸部の海中又は海上で施工する必要がないので、構造体の建設費及び建設工事は大幅に軽減又は簡略化する。しかも、本発明の波浪エネルギー吸収装置は、自然の地盤又は岩盤によって強固に形成されるので、異常波浪や津波等の際に生じる大きな外力に耐え得る優れた耐力及び耐久性を発揮する。加えて、穴又は坑の海洋側部分は、海洋側開口部から斜め上方に地盤内又は岩盤内に延び、入波エネルギーは、穴又は坑の海洋側開口部から斜め上方に穴内又は坑内に供給されるので、波浪エネルギー吸収装置の波浪エネルギー吸収能力は向上する。

他の観点により、本発明は、海水面の上下動により発生する空気振動流によって発電装置を作動させる固定式振動水柱型波力発電システムを用いた発電方法において、
一端が海面下において海洋に開口し、他端が陸地において開口した穴又は坑を沿岸の地盤又は岩盤に掘削又は削孔することにより形成した波浪エネルギー吸収装置を使用して、該波浪エネルギー吸収装置の空気室内に発生する空気圧の変動により往復気流を発生させ、
該往復気流により前記発電装置を作動して発電する発電方法であり、
前記波浪エネルギー吸収装置は、穴内又は坑内の海水面の上下動により空気圧が変動する前記空気室を該海水面の上方域に画成し、
前記穴又は坑の海洋側部分は、入波エネルギーが前記穴又は坑の海洋側開口部から斜め上方に穴内又は坑内に供給されるように、前記海洋側開口部から斜め上方に地盤内又は岩盤内に延びることを特徴とする発電方法を提供する。

本発明によれば、多くの海岸部の地形及び環境に適応可能な簡素な構造を有し、材料費又は資材費や、建設費等を低廉化することができ、しかも、優れた耐力及び耐久性を発揮し得る固定式振動水柱型波力発電システム及びその構築方法を提供することができる。

また、本発明の発電方法によれば、自然に存在する海岸部の地形及び環境を利用して波力発電を合理的且つ効率的に実施することができ、しかも、このような波力発電方法は、環境負荷軽減や、自然保護等の観点より、極めて有益である。

図１は、本発明の実施例に係る固定式振動水柱型波力発電システムの構成を示す概略斜視図である。図２は、図１に示す発電システムの縦断面図である。図３は、図１及び図２に示す発電システムの変形例を示す概略平面図である。図４は、図１及び図２に示す発電システムの他の変形例を示す概略平面図である。図５は、図１及び図２に示す発電システムの更に他の変形例を示す概略斜視図である。図６は、図１及び図２に示す発電システムの更なる変形例を示す概略斜視図である。図７は、本発明の他の実施例に係る固定式振動水柱型発電システムの構成を示す概略斜視図である。図８は、図７に示す発電システムの縦断面図である。図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、図７及び図８に示す弁装置の構成を示す平面図及び正面図である。図１０は、図９に示す弁装置の機能を説明するための概略断面図である。図１１（Ａ）は、空気室の空気圧変動を例示する線図であり、図１１（Ｂ）は、バッファタンク内の空気圧変動を例示する線図である。図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）及び図１２（Ｃ）は、波浪エネルギー吸収装置の形状を検討するために製作した３種類の波浪エネルギー吸収装置の試験機を示す斜視図であり、図１２（Ｄ）及び図１２（Ｅ）は、各試験機の波浪エネルギー吸収能力に関する実験の実験方法を示す概略断面図である。図１３は、波浪エネルギー吸収能力に関する実験の実験結果を示す線図である。図１４は、波浪エネルギー吸収能力に関する実験の他の実験結果を示す線図である。図１５は、本発明の他の実施例に係る固定式振動水柱型波力発電システムの構成を示す縦断面図である。図１６は、本発明の更に他の実施例に係る固定式振動水柱型波力発電システムの構成を示す縦断面図である。図１７は、従来の固定式振動水柱型波力発電システムの構成を概略的に示す縦断面図である。

本発明の或る実施形態によれば、往復気流の微細な圧力変動を緩和して往復気流を発電装置に供給するバッファタンクが、穴又は坑の陸地側開口部に連結される。空気室の空気は、往復気流としてバッファタンクに供給される。バッファタンクは、往復気流の微細な空気圧変動を緩和して往復気流を発電装置に供給し、発電装置は往復気流により作動し、発電する。
所望により、往復気流を一定方向の気流に調整又は変換する気流変換手段がバッファタンクに設けられ、或いは、バッファタンクと発電装置との間に介装され、一定方向の気流が発電装置に供給される。往復気流によって作動する発電装置として、往復気流の作用により常に一定方向に回転するウェルズタービン又は衝動型タービンを備えた構成のものが一般に使用されるが、このような気流変換手段を備えた発電システムにおいては、ラジアルタービン、軸流タービン等を備えた汎用の発電装置を使用することができる。

本発明の他の実施形態によれば、複数の波浪エネルギー吸収装置がバッファタンクに並列に接続される。バッファタンクは、このような複数の波浪エネルギー吸収装置の往復気流を集合して一元的に発電装置に供給する。このような構成によれば、複数の波浪エネルギー吸収装置に発生した往復気流がバッファタンクに同時に供給されるので、波浪エネルギーを効果的に吸収することができる。

更に好ましくは、波浪エネルギー吸収装置は、穴又は坑の海洋側開口部から地盤又は岩盤内に延び且つ断面が拡大された海洋側部分と、穴又は坑の陸側開口部から地盤又は岩盤内に延び且つ海洋側部分の断面よりも断面を縮小した陸地側部分とを有する。海水面は、海洋側部分に形成され、陸地側部分は、空気室に発生した往復気流をバッファタンクに供給する流路を構成する。海洋側部分の空気室の圧力変動により発生した往復気流は、陸地側部分の流路によってバッファタンクに供給される。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明の実施例に係る固定式振動水柱型波力発電システムの構成を示す概略斜視図及び縦断面図である。

図１及び図２には、海岸部又は沿岸部に一般に観られる地形及び環境として、海水Ｗの波打ち帯Ｊから陸地Ｌに向かって比較的急勾配に隆起する海崖（又は浜崖）Ｋが示されている。陸地Ｌ及び海崖Ｋは、海岸線に沿って延びる自然の地形である。本実施例の固定式振動水柱型波力発電システム１（以下、「発電システム１」という。）は、陸地Ｌ及び海崖Ｋの地盤又は岩盤によって形成された波浪エネルギー吸収装置１０を有する。波浪エネルギー吸収装置１０は、地盤又は岩盤を掘削又は削孔した概ね等断面且つ円形断面の穴又は坑からなり、海水Ｗの水面下に開口する海洋側の開口部１１と、陸地Ｌの地盤面又は岩盤面に開口した陸地側の開口部１２とを有する。波浪エネルギー吸収装置１０の掘削又は削孔においては、掘削装置又は削孔装置を陸地Ｌの地盤面又は岩盤面に設置し、陸地Ｌ上の開口部１２の位置から開口部１１の位置に向かって穴又は坑を掘削又は削孔すれば良い。必要に応じて、開口部１１、１２の開口を画成する構造版、構造枠等が地盤又は岩盤に固定される。所望により、波浪エネルギー吸収装置１０の内周面にライニング処理等が施される。

図２に示すように、波浪エネルギー吸収装置１０は、全体的に若干湾曲して斜め下方に延び、開口部１１によって海水Ｗの水面下に開口する。開口部１１を介して海水Ｗが坑内下部領域に流入しており、空気室１３が坑内上部領域に形成される。矢印αで示す海洋波浪の入波エネルギーにより、坑内下部領域の水柱１４が上下方向に振動する。水柱１４の水面１４ａが矢印β方向に上下動するので、空気室１３内の空気柱の空気圧が変動する。

バッファタンク２０及び発電室３０が、陸地Ｌの地盤面又は岩盤面に設置され、空気タービン型発電装置３１が、発電室３０内に配設される。バッファタンク２０は、概ね直方体形状を有する鉄筋コンクリート構造又は鋼構造の気密シェルターからなる。所望により、金属製気密タンク等をバッファタンク２０として用いても良い。発電室３０は、バッファタンク２０に隣接して構築された鉄筋コンクリート構造又は鋼構造のシェルター３４からなる。発電室３０は、発電室３０の室内空間を外気と連通せしめる給排気口３３を備える。

バッファタンク２０の底壁２１は開口部２２を有する。開口部２２の外周部は、気密連結手段（図示せず）によって波浪エネルギー吸収装置１０の開口部１２に連結される。空気室１３内の空気圧変動に相応して、矢印γで示す往復気流が開口部１２、２２を介してバッファタンク２０に供給される。バッファタンク２０は、開口部１２、２２を介して流入又は流出する空気の微細な圧力変化、或いは、不規則な圧力変動を緩和して発電装置３１の回転運動を安定化する圧力緩衝手段として機能する。バッファタンク２０は又、異常波浪時の波高上昇等により、波浪エネルギー吸収装置１０内の海水が発電室３０に進入又は到達し、或いは、海水が発電装置３１にかかるのを防止する発電装置保護手段として機能する。好ましくは、バッファタンク２０は、バッファタンク２０内に進入した海水を排水するための排水口、排水溝、排水管等の排水設備又は排水手段を備える。

バッファタンク２０内の空気圧は、空気室１３の空気圧変動に応答して変動する。空気搬送ダクト３２が、発電装置３１のタービン部とバッファタンク２０の開口部２３との間に介装される。矢印λで示す往復気流が空気搬送ダクト３２を介して発電装置３１のタービン部に作用してタービン部を回転駆動し、発電装置３１の発電機が発電する。発電装置３１として、往復気流λの作用により常に一定方向に回転するウェルズタービン又は衝動型タービンを備えた発電装置を好ましく使用し得る。なお、往復気流λに相応した吸気流又は排気流が、矢印ηで示すように発電室３０の給排気口３３を流通する。

発電装置３１の発電機が発電した電気は、給電線３５を介して陸地Ｌ上の蓄電装置(バッテリー)４０に給電され、蓄電される。蓄電装置４０には、電力を系外に送電するため送電線４１が接続される。

このような構成の発電システム１によれば、海洋波浪の入波エネルギーによって波浪エネルギー吸収装置１０内の水柱１４が上下方向に振動すると、水柱１４の水面１４ａが矢印β方向に上下動するので、空気室１３の空気圧が変動し、往復気流γがバッファタンク２０内に流入し又はバッファタンク２０から流出する。バッファタンク２０内の空気圧変動に応答して、往復気流λが、発電装置３１のタービン部に作用してタービン部を回転駆動し、発電装置３１の発電機が発電する。発電装置３１が発電した電気は蓄電装置４０に蓄電され、系外に適宜送電される。

図３〜図６は、図１及び図２に示す発電システム１の変形例を示す平面図及び斜視図である。

図３及び図４に示す発電システム１は、単一のバッファタンク２０に対して複数の波浪エネルギー吸収装置１０を並列に配設し、波浪エネルギーを効果的に吸収するようにした構成を備える。図５及び図６に示す発電システム１は、単一のバッファタンク２０及び発電室３０を単一のユニット５０としてユニット化し、複数のユニット５０を蓄電装置４０に並列に接続した構成を有する。このような構成の発電システム１によれば、地形の条件や、波の条件に適した発電システム１、或いは、目標とする発電出力に相応した発電能力を有する発電システム１を波浪エネルギー吸収装置１０の本数及び配置や、ユニット５０の設置数又は配置等により適宜構築することができる。

図７及び図８は、本発明の他の実施例に係る発電システム１の構成を示す概略斜視図及び縦断面図である。図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、図７及び図８に示す弁装置の構成を示す平面図及び正面図である。また、図１０は、図９に示す弁装置の機能を説明するための概略断面図である。

図７及び図８に示す発電システム１は、バッファタンク２０の往復気流λを単一方向の気流δに調整するための弁装置６０を備える。図９に示すように、弁装置６０は、円筒状の金属製タンクからなる本体部分６１と、本体部分６１の外周面に角度間隔を隔てて放射状に連結された吸気弁６２と、本体部分６１の頂部に連結された逆止弁６３とから構成される。本体部分６１の底板部６４には、開口部６５が形成される。図８に示すように、バッファタンク２０の頂壁２４に開口部２５が形成され、開口部６５は、開口部２５に対して整列配置される。開口部２５、６５の外周部は、気密連結手段によって相互連結される。給気ダクト７０の上流端が、逆止弁６３の頂部に連結され、給気ダクト７０の下流端が発電装置３１の空気搬送ダクト３２に連結される。

図９に示すように、吸気弁６２は、円筒状弁ケーシング６２ａと、弁ケーシング６２ａの頂部に連結された吸気流路６２ｂとを有する。弁ケーシング６２ａの底壁６２ｃには、弁開口６８が形成される。また、逆止弁６３は、円筒状弁ケーシング６３ａを有する。弁ケーシング６３ａの底壁６３ｃには、弁開口６９が形成される。樹脂製の球状弁体６６、６７が、弁ケーシング６２ａ、６３ａ内に夫々収容される。

弁装置６０の機能が図１０に示されている。図１０（Ａ）に示す波の上昇時には、入波エネルギーαによって水柱１４が上昇し（矢印β’）、空気室１３が昇圧される。逆止弁６３の球状弁体６７は、空気室１３の圧力上昇によって上方に押圧され、弁開口６９から離座し、この結果、弁開口６９は開放する。空気室１３の空気圧は、吸気流路６２ｂ（図９）を介して吸気弁６２の球状弁体６６に作用し、球状弁体６６を下方に押圧する。球状弁体６６は、弁開口６８に着座し、弁開口６８を閉鎖する。吸気弁６２が閉鎖し、逆止弁６３が開放するので、空気室１３の空気は、発電装置３１に向かう気流δとして給気ダクト７０に給送され、発電装置３１の空気搬送ダクト３２（図８）を介して発電装置３１（図８）のタービン部に供給される。

図１０（Ｂ）に示す波の降下時には、水柱１４が降下し（矢印β”）、空気室１３が減圧される。吸気弁６２の球状弁体６６は、空気室１３の空気圧と大気圧との差圧によって弁開口６８から離座し、弁開口６８を開放する。吸気弁６２が開放するので、吸気弁６２を介して大気が空気室１３に流入する。他方、逆止弁６３の球状弁体６７は、空気室１３の減圧によって弁開口６９に着座し、この結果、弁開口６９は閉鎖する。波の降下時に逆止弁６３が閉鎖するので、給気ダクト７０から空気室１３への空気の逆流は、阻止される。

従って、空気室１３の昇圧時には、気流δが発電装置３１のタービン部に給送され、空気室１３の減圧時には、逆止弁６３が閉鎖され、給気ダクト７０から空気室１３への空気の逆流は阻止されるので、単一方向の気流δが発電装置３１のタービン部に間欠的に給送される。

このように単一方向の気流δのみを発電装置３１に供給する弁装置６０を備えた発電システム１によれば、発電装置３１のタービンとして汎用のラジアルタービン装置、軸流タービン装置等を用いることが可能となる。

図１１（Ａ）は、発電システム１における空気室１３の空気圧変動を示す線図であり、図１１（Ｂ）は、発電システム１におけるバッファタンク２０内の空気圧変動を示す線図である。

図１１（Ａ）には、波浪エネルギー吸収装置１０の空気室１３内に生じる空気圧変動の状態が概略的に示されている。空気室１３の空気圧は海水面の上下動に応答して変動するが、微細な圧力変動を伴う不規則な圧力変化が空気室１３に発生する。図１１（Ｂ）には、バッファタンク２０内に生じる空気圧変動の状態が概略的に示されている。図１１（Ｂ）に示されるように、空気室１３に観られる微細な圧力変化は、バッファタンク２０内に発生しない。従って、バッファタンク２０を空気室１３と発電装置３１との間に介装することにより、小刻み且つ急峻に空気圧が変化する微細な圧力変動が平準化され、発電装置３１に供給される空気流が安定するので、発電装置３１の回転運動は安定する。

図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）及び図１２（Ｃ）は、波浪エネルギー吸収装置の形状を検討するために試作した３種類の波浪エネルギー吸収装置の試験機を示す斜視図である。図１２（Ｄ）及び図１２（Ｅ）は、波浪エネルギー吸収能力に関する実験の実験方法を示す実験装置の概略断面図であり、図１３及び図１４は、その実験結果を示す線図である。

図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）及び図１２（Ｃ）には、直立円筒型、ケーソン型及び傾斜円筒型の試験機９１、９２、９３が示されている。直立円筒型の試験機９１は、全高に亘って真円形断面を有し、壁体下部の片側面に正面視方形又は矩形の開口部９４を備える。ケーソン型の試験機９２は、全高に亘って方形又は矩形断面を有し、壁体下部の片側面に正面視方形又は矩形の開口部９５を備える。傾斜円筒型の試験機９３は、垂直軸線を有する真円形断面の上部円筒体９３ａと、軸線が傾斜した真円形断面の下部円筒体９３ｂとを一体的に接合した構造を有する。下部円筒体９３ｂの円形開口部９６が試験機９３の下部に開口する。

図１２（Ｄ）及び図１２（Ｅ）には、試験機９１、９２を試験用水槽９７に漬浸した状態が示されている。試験機９１、９２、９３は、図１２（Ｄ）及び図１２（Ｅ）に示すように試験用水槽９７に漬浸される。図１２（Ｄ）には、試験機９１、９２の水面上昇時の状態が示されており、図１２（Ｅ）には、試験機９１、９２の水面降下時の状態が示されている。試験機９１、９２、９３内の水柱は、矢印αで示す入波エネルギーにより、矢印β’、β”で示すように上下方向に振動する。

試験機９１、９２、９３の頂壁には、図１２（Ｄ)に示すように送気管９８を連結可能な送気部９９が配設される。送気部９９の下面は、試験機９１、９２、９３内の空気室１３に開口する。送気部９９は、重力式差圧開閉型のダンパ１０１、１０２を備えたフラッタ式弁機構を備えており、空気室１３内の空気を常に一定方向の空気流として送気管９８に送出するように構成される。即ち、試験機９１、９２、９３の水面降下時（図１２（Ｅ））には、ダンパ１０１は開放し、ダンパ１０２は閉鎖し、従って、外気が空気室１３に流入する。試験機９１、９２、９３の水面上昇時（図１２（Ｄ））には、ダンパ１０１は閉鎖し、ダンパ１０２は開放し、従って、空気室１３内の空気が送気管９８に送出される。

送気管９８は定圧化タンク（図示せず）に連結される。定圧化タンクは、送気管９８によって供給された所定圧力の空気を累積的に貯留するように構成される。実験においては、定圧化タンクの内部空気圧Ｔｐと、定圧化タンク内に導入される空気の流量Ｑとの積、即ち、Ｔｐ×Ｑを波のパワーＰｔとして求め、波のパワーＰｔの相違に基づいて試験機９１、９２、９３のエネルギー吸収能力を比較した。

図１３及び図１４は、図１２に示す実験装置を用いた実験により得られた試験機９１、９２、９３のエネルギー吸収能力を示す線図である。図１３には、定圧化タンクの内部空気圧Ｔｐを３．０g／cm²に設定した実験により得られた試験機９１、９２、９３のエネルギー吸収能力が示されており、図１４には、定圧化タンクの内部空気圧Ｔｐを５．４g／cm²に設定した実験により得られた試験機９１、９２、９３のエネルギー吸収能力が示されている。

図１３及び図１４に示すように、図１２（Ｃ）に示す傾斜円筒型の試験機９３では、図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）に示す直立円筒型及びケーソン型の試験機９１、９２に比べて、パワーＰｔの値が増大する。従って、波浪エネルギー吸収能力を向上するには、波浪エネルギー吸収装置１０を構成する地盤又は岩盤の穴又は坑は、図２に示す如く、陸地側から海側に向かって斜め下方に傾斜するように掘削又は削孔することが望ましいと判明した。

図１５及び図１６は、本発明の他の実施例に係る固定式振動水柱型波力発電システムの構成を示す縦断面図である。図１５及び図１６において、前述の実施例における各構成要素又は構成部材等と実質的に同一又は同等の構成要素又は構成部材等については、同一の参照符号が付されている。

前述の実施例に係る発電システムでは、波浪エネルギー吸収装置は、概ね等断面の穴又は坑によって形成されているが、図１５及び図１６に示す発電システム１の波浪エネルギー吸収装置１０は、断面を拡大した大口径の穴又は坑部分１５（以下、「大口径部分１５」という。）と、相対的に小口径の穴又は坑部分１６（以下、「小口径部分１６」という。）とから構成される。波浪エネルギー吸収装置１０の掘削又は削孔においては、掘削装置又は削孔装置を陸地Ｌの地盤面又は岩盤面に設置し、回転ドリルの先端部によって陸地Ｌ上の開口部１２の位置から開口部１１の位置に向かって穴又は坑を掘削又は削孔した後、海中に突出したドリル回転軸の先端部に大型のドリルヘッドを装着し、ドリル回転軸を引上げながら回転させて大型ドリルヘッドにより穴又は坑を拡張又は拡径すれば良い。

図１５に示す波浪エネルギー吸収装置１０は、開口部１１から陸地側に概ね水平に延びて上方に屈曲した海洋側の大口径部分１５と、開口部１２から鉛直下方に延びる陸地側の小口径部分１６とから構成される。大口径部分１５内には、空気室１３及び水柱１４が形成される。水柱１４は、海洋波浪の入波エネルギーαにより上下方向に振動する。水柱１４の水面１４ａが矢印β方向に上下動するので、空気室１３及び小口径部分１６の空気柱の空気圧が変動する。小口径部分１６は、往復気流γをバッファタンク２０に供給する流路として機能する。

このように波浪エネルギー吸収装置１０の口径又は断面を段階的に変化させることにより、バッファタンク２０を設計変更することなく、開口部１１の開口面積、水柱１４の断面積、水面１４ａの表面積等を増大し、波浪エネルギー吸収装置１０のエネルギー吸収能力を向上することができる。なお、相対的に断面が縮小した小口径部分１６は、流路抵抗を増大する狭小断面流路、即ち、流路の絞り部分又はオリフィスとして作用するので、水面１４ａの上下動によって往復気流γの流動抵抗又は圧力損失が増大する。しかしながら、このような空気の流動抵抗又は圧力損失の増大は、波浪エネルギー吸収装置１０全体のエネルギー損失を大きく増大させず、従って、波浪エネルギー吸収装置１０のエネルギー吸収効率に大きく影響しない。

図１６に示す波浪エネルギー吸収装置１０は、大口径部分１５を開口部１１に向かって全体的に傾斜させた構成を有する。前述のとおり、波浪エネルギー吸収装置１０を構成する地盤又は岩盤の穴又は坑を陸地側から海側に向かって斜め下方に傾斜せしめることにより、波浪エネルギー吸収装置１０の波浪エネルギー吸収能力は向上する。従って、図１６に示すように、海洋側の大口径部分１５を海洋に向かって全体的に下方に傾斜させることにより、波浪エネルギー吸収装置１０の波浪エネルギー吸収能力を向上することができる。

以上説明したように、波浪エネルギー吸収装置１０を備えた上記各実施例の発電システム１によれば、波浪エネルギー吸収装置１０は、沿岸部の地盤又は岩盤を掘削又は削孔することにより形成され、従って、波浪エネルギー吸収装置１０として大型の人工構造物を施工する必要がないので、発電装置３１等の主要機械を予め工場製作することにより、現場又は現地の作業及び工程を大幅に簡素化又は簡略化することができる。また、波浪エネルギー吸収装置１０は、多くの海岸部の地形及び環境に適応可能な簡素な構造を有するので、施工に要する構造体の材料費、資材費や、工事費を大幅に軽減することができる。更に、波浪エネルギー吸収装置１０は、自然の地盤又は岩盤によって形成されるので、異常波浪や津波等の大きな外力に耐える強靱な耐力及び耐久性を発揮する。加えて、本発明の上記実施例によれば、バッファタンク２０及び発電装置３１（又は発電室３０）をユニット化し、或いは、工場製作可能なユニット構造に設計することが可能となり、これにより、発電システム１の設置コストを全体的に低廉化するとともに、更なる現場工事の簡素化、材料費、資材費及び工事費の低減、工程の短縮等を図ることが可能となる。

以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。

例えば、上記実施例においては、円形断面の穴又は坑を地盤又は岩盤に掘削又は削孔して波浪エネルギー吸収装置を形成しているが、方形又は矩形断面、多角形断面等の穴又は坑を地盤又は岩盤に掘削又は削孔して波浪エネルギー吸収装置を形成して良い。

また、上記実施例においては、等断面の穴又は坑、或いは、段階的に口径又は断面寸法が変化する穴又は坑によって波浪エネルギー吸収装置を形成しているが、断面が徐々に変化する穴又は坑によって波浪エネルギー吸収装置を形成しても良い。

更に、バッファタンク、弁装置、発電装置等の構成や、バッファタンク、発電装置等の支持構造などは、地形、地盤の条件等に応じて、適宜変更し得るものである。

本発明は、振動水柱の振動により空気室内に発生する空気振動流によって発電装置を作動させる固定式振動水柱型の波力発電システムに好ましく適用される。本発明によれば、多くの海岸部の地形及び環境に適応可能な簡素な構造を有し、材料費又は資材費や、建設費等を低廉化することができ、しかも、優れた耐力及び耐久性を発揮し得る固定式振動水柱型波力発電システム及びその構築方法を提供することができるので、その実用的価値は顕著である。また、本発明に係る発電方法によれば、自然に存在する海岸部の地形及び環境を利用して波力発電を合理的且つ効率的に実施することができる。このような波力発電方法は、環境負荷軽減や、自然保護等の観点より、極めて有益である。

１固定式振動水柱型波力発電システム
１０波浪エネルギー吸収装置
１１海洋側開口部
１２陸地側開口部
１３空気室
１４水柱
１４ａ水面
２０バッファタンク
３０発電室
３１空気タービン型発電装置
３２空気搬送ダクト
４０蓄電装置
Ｗ海水
α 入波エネルギー
γ、λ 往復気流

Claims

海水面の上下動により発生する空気の振動流によって発電装置を作動させる固定式振動水柱型波力発電システムにおいて、
沿岸の地盤又は岩盤を掘削又は削孔してなる穴又は坑であって、一端が海面下において海洋に開口し、他端が陸地において開口した穴又は坑により形成されている波浪エネルギー吸収装置と、
前記穴又は坑の陸地側開口部に連結され、該波浪エネルギー吸収装置の空気室の圧力変動により発生する往復気流によって作動して発電する発電装置とを有し、
前記波浪エネルギー吸収装置は、穴内又は坑内の海水面の上下動により空気圧が変動する前記空気室を前記海水面の上方域に画成し、
前記穴又は坑の海洋側部分は、入波エネルギーが前記穴又は坑の海洋側開口部から斜め上方に穴内又は坑内に供給されるように、前記海洋側開口部から斜め上方に地盤内又は岩盤内に延びることを特徴とする固定式振動水柱型波力発電システム。
前記往復気流の微細な圧力変動を緩和して該往復気流を前記発電装置に供給するバッファタンクを前記穴又は坑の陸地側開口部に連結し、
前記往復気流を一定方向の気流に調整又は変換する気流変換手段を前記バッファタンクに設け、或いは、前記バッファタンクと前記発電装置との間に介装し、一定方向の気流が前記発電装置に供給されるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の固定式振動水柱型波力発電システム。
前記往復気流の微細な圧力変動を緩和して該往復気流を前記発電装置に供給するバッファタンクを前記穴又は坑の陸地側開口部に連結し、
複数の波浪エネルギー吸収装置を前記バッファタンクに並列に接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の固定式振動水柱型波力発電システム。
前記穴又は坑は、円形断面を有し、湾曲して斜め上方に地盤内又は岩盤内に延びることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固定式振動水柱型波力発電システム。
前記波浪エネルギー吸収装置は、前記穴又は坑の海洋側開口部から地盤又は岩盤内に延び且つ断面が拡大された海洋側部分と、前記穴又は坑の陸側開口部から地盤又は岩盤内に延び且つ前記海洋側部分の断面よりも断面を縮小した陸地側部分とを有し、前記海水面は、前記海洋側部分に形成され、前記陸地側部分は、前記空気室に発生した往復気流の流路を構成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固定式振動水柱型波力発電システム。
海水面の上下動により発生する空気振動流によって発電装置を作動させる固定式振動水柱型波力発電システムの構築方法において、
一端が海面下において海洋に開口し、他端が陸地において開口する穴又は坑を沿岸の地盤又は岩盤に掘削又は削孔し、該穴又は坑によって波浪エネルギー吸収装置を形成する工程と、
該波浪エネルギー吸収装置の空気室の圧力変動により発生する往復気流によって作動して発電する発電装置を陸地側に配置する工程とを含み、
前記波浪エネルギー吸収装置は、穴内又は坑内の海水面の上下動により空気圧が変動する前記空気室を該海水面の上方域に画成し、
前記穴又は坑の海洋側部分は、入波エネルギーが前記穴又は坑の海洋側開口部から斜め上方に穴内又は坑内に供給されるように、前記海洋側開口部から斜め上方に地盤内又は岩盤内に延びることを特徴とする固定式振動水柱型波力発電システムの構築方法。
前記往復気流の微細な圧力変動を緩和して該往復気流を前記発電装置に供給するバッファタンクを前記穴又は坑の陸地側開口部に連結し、
一定方向の気流を前記発電装置に供給するために前記往復気流を一定方向の気流に調整又は変換する気流変換手段を前記バッファタンクに設け、或いは、該バッファタンクと前記発電装置との間に介装することを特徴とする請求項６に記載の構築方法。
前記往復気流の微細な圧力変動を緩和して該往復気流を前記発電装置に供給するバッファタンクを前記穴又は坑の陸地側開口部に連結し、
複数の波浪エネルギー吸収装置を前記バッファタンクに並列に接続することを特徴とする請求項６又は７に記載の構築方法。
前記穴又は坑は、円形断面を有し、湾曲して斜め上方に地盤内又は岩盤内に延びることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の構築方法。
陸地側の地盤面又は岩盤面から前記穴又は坑を掘削又は削孔して、該穴又は坑の先端部を海面下において海洋に開口させた後、前記穴又は坑の海洋側部分を拡張し、これにより、断面が拡大し且つ前記空気室を有する海洋側部分と、断面が相対的に縮小した陸地側部分とを前記波浪エネルギー吸収装置に形成し、前記空気室に発生した往復気流の流路を前記陸地側部分によって形成することを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の構築方法。
海水面の上下動により発生する空気振動流によって発電装置を作動させる固定式振動水柱型波力発電システムを用いた発電方法において、
一端が海面下において海洋に開口し、他端が陸地において開口した穴又は坑を沿岸の地盤又は岩盤に掘削又は削孔することにより形成した波浪エネルギー吸収装置を使用して、該波浪エネルギー吸収装置の空気室内に発生する空気圧の変動により往復気流を発生させ、
該往復気流により前記発電装置を作動して発電する発電方法であり、
前記波浪エネルギー吸収装置は、穴内又は坑内の海水面の上下動により空気圧が変動する前記空気室を該海水面の上方域に画成し、
前記穴又は坑の海洋側部分は、入波エネルギーが前記穴又は坑の海洋側開口部から斜め上方に穴内又は坑内に供給されるように、前記海洋側開口部から斜め上方に地盤内又は岩盤内に延びることを特徴とする発電方法。
前記往復気流の微細な圧力変動を緩和して該往復気流を前記発電装置に供給するバッファタンクを前記穴又は坑の陸地側開口部に連結し、
前記往復気流を一定方向の気流に調整又は変換し、一定方向の気流によって前記発電装置を作動して発電することを特徴とする請求項１１に記載の発電方法。
前記往復気流の微細な圧力変動を緩和して該往復気流を前記発電装置に供給するバッファタンクを前記穴又は坑の陸地側開口部に連結し、
複数の波浪エネルギー吸収装置の往復気流を前記バッファタンク内に並列に供給することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の発電方法。
前記穴又は坑は、円形断面を有し、湾曲して斜め上方に地盤又は岩盤内に延びることを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の発電方法。
前記穴又は坑の海洋側開口部から地盤内又は岩盤内に延び且つ断面が拡大した前記波浪エネルギー吸収装置の海洋側部分に前記空気室を形成するとともに、断面が相対的に縮小した波浪エネルギー吸収装置の陸地側部分を介して前記海洋側部分を前記発電装置と連通させることを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の発電方法。