JP5972199B2 - 波力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、波の力（波力という）を用いて発電する波力発電装置、特に、波打ち際に打ち寄せては引いてゆく波の往復動を用いて発電する波力発電装置に関する。

従来、波上の位置に設けた台上に枢動可能に支持され、海岸へ打ち寄せる寄せ波と該寄せ波が沖へと戻る引き波により得られる力により往復動する波受け板を備え、該波受け板の動きにより発電する発電システムが知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１０−２５０９６号公報

特許文献１に記載されている発電システムは、コイルに挿入した永久磁石を波受け板により往復動させて発電する。

しかし、前記発電システムでは、波の１往復によって永久磁石も１往復するのみで、電磁誘導作用により発生する発電量は極めて少ない。このように、従来の発電システムでは、波力を有効に使えていない。

本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、海岸に打ち寄せる寄せ波及び引き波を用いてより効率良く発電を行う発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、沖方向から陸地に向けて海面から海底までの深さが漸次浅くなる傾斜した海岸の海底に設置され、海岸に打ち寄せる寄せ波及び打ち寄せた波が沖へ引いてゆく引き波の力を用いて発電を行う波力発電装置において、寄せ波の進行方向に交差する水平向きに回転軸を有した水車と、前記水車の回転に連動して回転して発電を行うように水車の回転軸に連結されている発電用モータと、寄せ波を通す吸い込み口と、引き波を通す引き波用の口と、前記吸い込み口の反対側にあって、前記水車の回転軸直上を通過する寄せ波を前記水車の回転方向に沿って流すように前記水車の外周を覆うガイド板と、前記回転軸、発電用モータ、吸い込み口、引き波用の口、及びガイド板を保持し、かつ、波力発電装置を海底に設置するためのフレームと、を備え、前記フレームは、潮の満ち引きにより変化する海面の高さの範囲の内、任意の或る時間において、引き波から寄せ波に変わる際の波高の谷高さが前記吸い込み口の下端位置となる設置条件を満たすように海底に設置固定され、前記水車は、前記回転軸の上側を通る寄せ波、及び、前記回転軸の下側を通る引き波を受けて回転し、前記吸い込み口は、当該開口下端が前記水車の回転軸より下側に位置し、かつ当該開口上端が前記水車の上端より上側に位置し、当該開口下端と開口上端の高さ範囲にある寄せ波を集めて前記水車の回転軸より上側と前記水車の上端との間に導き、前記引き波用の口は、前記吸い込み口の下側に設けられており、前記水車の回転軸より下側を通る引き波を通し、前記水車は、前記回転軸に放射状に複数設けられた水受けを有し、各水受けは前記回転軸方向に伸びる樋形状であって、波の進行方向から見て表面が凹状で、裏側が凸状とされている、ことを特徴とする。

好ましくは、前記水受けは中空の円柱を当該円柱の軸に沿って半分に切断した形状を有している。

好ましくは、前記水車の回転軸の両端側に、回転軸の回転を増速する歯車変速機が配置され、２つの発電用モータが前記両側の歯車変速機の上方に配置されている。

好ましくは、前記吸い込み口は、中空の四角錐台形状を有している。

本発明の波力発電システムでは、前記いずれかに記載の発電装置が複数、潮の満ち引きにより変化する海面の高さの範囲の内、予め定めた複数の海面高さにおいて前記接地条件を満たすように海岸からの距離を変えて設けられており、前記複数の波力発電装置により発電された電力を１つにまとめて出力する制御部を備えていることを特徴とする。

本発明に係る波力発電装置では、潮の満ち引きにより変化する海面の高さの範囲の内、任意の或る時間において、引き波から寄せ波に変わる際の波高の谷高さが吸い込み口の下端位置となる設置条件を満たすようにフレームが海底に設置固定されているので、水車は、回転軸の上側を通る寄せ波、及び、回転軸の下側を通る引き波の両方の力を受けて回転し、連結されている発電用モータを回転させて極めて効率良く発電を行う。

また、本発明に係る発電システムでは、潮の満ち引きを考慮して海岸からの距離を変えて複数の波力発電装置を設置し、各波力発電装置からの出力を１つにまとめて出力することにより、潮の満ち引きによる影響をあまり受けずに発電することができる。

本発明の一実施の形態に係る波力発電装置を前方から見た斜視図。 同波力発電装置を後方から見た斜視図。 同波力発電装置の図１に示す斜視図のＡ−Ａ'矢視図。 同波力発電装置の右側面図。 同波力発電装置の正面図。 同波力発電装置の背面図。 同波力発電装置の図１に示す斜視図のＢ−Ｂ’断面図。 同波力発電装置の水車、歯車減速機、発電用モータの連結状態を示す斜視図。 （ａ）は海岸近くの海底に設置した同波力発電装置が寄せ波を受ける場合の様子を示す断面図、（ｂ）は引き波を受ける場合の様子を示す断面図。 全面に均一な波力を受ける場合の水車の様子を示す側面図。 海岸からの距離を変えて海底に配置した２つの波力発電装置を用いる波力発電システムの構成図。

本発明に係る波力発電装置は、桶形状の水受けを有し、回転軸よりも上側に寄せ波を受け、下側に引き波を受けて回転する水車と、水車の回転により発電する発電部と、回転軸下側を含む周りの寄せ波を集め回転軸上側へと導く吸い込み口と、引き波を回転軸下側に通す引き波用の口と、前記水車、発電部、吸い込み口及び引き波用の口が設けられており、海岸の海底に設置されるフレームと、を備える。引き波用の口は、吸い込み口の下側に設けられている。波力発電装置は、引き波から寄せ波に変わる際の波高の谷が吸い込み口下端の位置となる設置条件で海底に設置する。前記構成の波力発電装置において、寄せ波により水位が上昇し、引き波により水位が減少する間、水車は同一方向に回転し、極めて効率良く発電モータによる発電を行うことができる。

なお、水車の回転軸直上を通過した寄せ波を水車の回転方向に沿って流すように、水車の外周を覆うガイド板を設けることが好ましい。ガイド板は、寄せ波によって水車を回転させる力を増やし、かつ、引き波の内、水車の回転を妨げる引き波をガイド板の外側に導くことにより、波力を有効に使って効率良く水車を回転させる。

図１、図２は、本発明の一実施の形態に係る波力発電装置１が海岸の海底２０に設置されている状態を示す。波力発電装置１は、海底２０に下側の一部が埋設され、固定されているメインフレーム２を有している。メインフレーム２には、水車３と、寄せ波又は海水を集めて水車３に当てる吸い込み口４と、歯車変速機５ａ、５ｂと、歯車変速機５ａ、５ｂに連結されている発電部６とを有している。

メインフレーム２は、四隅に設けられている４本の支柱２ａ〜２ｄと、該４本の支柱間を繋ぐ横梁２ｅ〜２ｈを含む複数の横梁等で構成されるテーブル状のフレーム構造を有している。水車３は、メインフレーム２の中位の高さに取り付けられている。歯車変速機５ａ、５ｂは、水車３及び発電部６に連結されており、水車３の回転を増速して発電部６に伝える。

波力発電装置１の一実施例では、メインフレーム２の天地方向の全長及び波の進行方向に直交する向きの幅は約２ｍ、波の進行方向に沿う奥行きは約１ｍである。図１、図２は、海面が、吸い込み口４が寄せ波を水車３側に吐出する開口部分の高さにある状態を示している。

メインフレーム２には、吸い込み口４の反対側に、装置１を海底に固定するための２本の補助支え２ｉ、２ｊと、水車３の回転軸直上を通過した寄せ波を水車３の回転方向に沿って流すように、水車３の外周を覆うガイド板７とが取り付けられている。発電部６からは、発電した電気を出力する電線６ａが陸地へとのびている。

波力発電装置１は、海岸の海底２０にメインフレーム２及び補助支え２ｉ、２ｊを埋設して固定されている。海底の状態によっては、波力発電装置１をより確実に固定するため、フレーム２及び補助支え２ｉ、２ｊの海岸に埋設される部分の長さを、例えば１ｍ〜３ｍ延長してもよい。または、波力発電装置は、フレーム２及び補助支え２ｉ、２ｊの下端をコンクリート製の台座に取り付けた後に、該台座を海底に埋設することによって、海底に固定してもよい。なお、補助支え２ｉ、２ｊが無くても確実に固定できる場合には、補助支え２ｉ、２ｊは無くても良い。

図３乃至図７は、波力発電装置１の各構成要素を示す。なお、各構成要素をより明確に示す目的で、図３乃至図７では、海面の描写は省略する。

図３に示すように、水車３は、回転軸３ａと、回転軸３ａに放射状に取り付けられている６個の水受け３ｂと、で構成されている。水受け３ｂは、表側が凹状で、裏側の凸状となっている樋形状を有している（図８を参照））。水受け３ｂの裏面の凸状部分は、波から受ける力が表側に比べて少なくなるように、表面抵抗の少ない滑らかな面を有しており、当たった海水を受け止めずに周りに流す。当該構成を採用することにより、水車３は、回転軸３ａよりも上側に寄せ波を受け、そして、下側に引き波を受けることによって時計回りに回転する。吸い込み口４と水車３との距離は、吸い込み口４が集めて吐出する寄せ波が水車３の回転軸３ａの上側に効率良く当たる値に設定する。

ガイド板７の上端は、発電部６の底面に接続されている。ガイド板７は、歯車５ｃの回転軸５ｆを中心とする場合において、約２時の方向の、回転軸５ｆからガイド板７の上端までと同程度の距離の位置に、下端が設けられている。なお、ガイド板７の下端は、水車３の回転軸３ａ近くまで伸びていてもよいし、ガイド板７の形状は、水車３の外周に沿って湾曲していてもよい。ガイド板７は、寄せ波が水車３を時計回りに回転させるように水受け３ｂに作用する行程を伸ばす。また、ガイド板７は、引き波をガイド板７の外側、即ち水車３の上側に導いて水車３を反時計回りに回転させようとする引き波が当たる量を減らし、より効率良く水車３を回転させる。

図４に示すように、歯車変速機５ａは、３つの歯車５ｃ、５ｄ、５ｅで構成されている。歯車５ｃの回転軸５ｆは、水車３の回転軸３ａ（図３を参照）に繋がっている。なお、歯車変速機５ｂ（図２を参照）は、歯車変速機５ａと同じ構成を有している。

図３及び図５に示すように、吸い込み口４は、メインフレーム２の前面に取り付けた直方体のフレーム４ａ（図１を参照）に、台形状の板４ｂ〜４ｅを張り付けて内面が中空の四角錐台形状を有するように構成した構造物である。吸い込み口４は、更に、フレーム４ａとメインフレーム２との間に取り付けた矩形の板４ｆを含む。吸い込み口４の下端、即ち台形状の板４ｃの下端は、引き波から寄せ波に変わった直後から、寄せ波が回転軸３ａより上側の水受け３ｂを押す力が、回転軸３ａより下側の水受け３ｂを押す力よりも勝り、水車３が回転するように、回転軸３ａよりも下側に位置する。吸い込み口４の上端、即ち台形状の板４ｅの上端は、水車３の水受け３ｂの上端よりも上側、例えば発電部６の高さに位置する。該構成を採用することで、吸い込み口４は、水車３の周りの寄せ波を集めて回転軸３ａ上側へと導く。吸い込み口４の下側には、回転軸３ａよりも下側を通る引き波を通す引き波用の口８が設けられている。引き波用の口８は、メインフレーム２の前側の２本の支柱２ａ、２ｄの間、吸い込み口４の台形状の板４ｃの下側及び海底２０との間に区画される部分を指す。

図６に示すように、発電部６は、防水処理の施された容器内に、該容器から反対向きに連結用の回転子のシャフト６ｄ、６ｅを突出している２つの発電用モータ（永久磁石型同期電動機）６ｂ、６ｃを備えている。図３及び図６に示すように、各発電用モータ６ｂ、６ｃは、発電した電力を外部に出力する電線６ａを有している。

図７は、波力発電装置１の断面を示す。メインフレーム２は、左右対称の構成を有している。水車３の回転軸３ａの両端には、２つの同一構成の歯車変速機５ａ、５ｂが連結されている。２つの歯車変速機５ａ、５ｂは、上方に配置されている発電部６の２つの発電用モータ６ｂ、６ｃの回転子のシャフト６ｄ、６ｅに連結されている。

図８は、波力発電装置１の水車３、歯車変速機５ａ、発電用モータ６ｂの連結状態を示す。水車３の水受け３ｂは、中空の円柱を当該円柱の軸に沿って半分に切断した樋形状を有している。該形状を採用することにより、水受け３ｂの裏面の凸状部分は、表面抵抗が少なく、当たった海水を効率良く周りに流すことができる。

歯車変速機５ａは、水車３と発電用モータ６ｃのシャフト６ｄとを、３つの歯車５ｃ、５ｄ、５ｅにより連結する。歯車５ｃの回転軸５ｇは、同軸上にある水車３の回転軸３ａに接続されている。歯車５ｃの歯５ｈは、歯車５ｄの回転軸５ｉに設けてある歯に噛合している。歯車５ｄの歯５ｊは、歯車５ｅの回転軸５ｋに設けてある歯に噛合している。歯車５ｅの歯５ｌは、発電用モータ６ｂのシャフト６ｄに設けた歯に噛合している。当該構成により、歯車変速機５ａは、水車３の回転を増速してシャフト６ｄに伝える。なお、歯車変速機５ａ、５ｂに使用する歯車の数、及び、各歯車のギヤ比については、波力発電装置１の設置場所で得られる寄せ波及び引き波の力及びシャフト６ｄを回転するのに要する力等に基づいて、シャフト６ｄを安定して回転可能な値に設定する。

図９は、全面に均一に波を受けた場合の水車３の回転原理を示す。回転軸３ａを挟んで位置している２つの水受け３ｂに、回転軸３ａに交差する向き、図面左側から右側へと均一な力の波を受けた場合について考える。矢印９ａ〜９ｆに示すように、上側にある水受け３ｂの表側の凹状部分は、波からの力を受け止めるのに対し、下側にある水受け３ｂの裏面の凸状部分は、波からの力を受け止めずに周りに流すため、波から受ける力は弱い。この結果、水車３は、矢印９ｇで示す時計回りの方向に回転し、上下の２つの水受け３ｂが波から受ける力が平衡するところで止まる。実際の水車３は、水受け３ｂが６０度間隔で放射状に設けられており、水車３を回転させようとする力が上側に位置する各水受け３ｂに次々と作用する結果、水車３は回転する。

図１０は、一実施例として、引き波から寄せ波に変わる際の波高の谷高さが吸い込み口４下端の位置となる設置条件で海底に設置された波力発電装置１を示す。図１０（ａ）に示すように、寄せ波の間、水位はＰａからＰｂへと上昇する。吸い込み口４により水車３の回転軸３ａよりも上側にある水受け３ｂに当たるように集められた寄せ波は、矢印１０ａ乃至矢印１０ｃで示すように水車３の回転軸３ａより上側を通り、水車３を時計回りに回転させる。水車３の回転軸３ａ直上を通過した寄せ波は、ガイド板７の作用により、水車３の回転方向に沿って流れ、より強力に水車３を回転させる。なお、寄せ波の内、矢印１０ｄで示すように、波力発電装置１の底及び引き波用の口８を通る波もある。しかし、吸い込み口４の作用により、回転軸３ａよりも下側の位置する寄せ波は持ち上げられて水車３の上部の水受け３ｂに当てられるため、下側の水受け３ｂの裏面に当たる寄せ波の量は少ない。そして、寄せ波の水位の上昇に伴い、より多くの寄せ波又は海水が水受け３ｂに当たるため、水車３を時計回りに回転させる力が勝り、水車３は回転する。

図１０（ｂ）に示すように、寄せ波が沖へ戻る引き波に変わった場合、水位はＰｂからＰａへと下がる。引き波の場合、最初、水車３は海面下にあり、矢印１１ａ〜１１ｃで示すように、水車３の略全面に引き波又は海水からの力が作用し、図９で説明した原理に基づいて、水車３は時計回りに回転する。また、ガイド板７は、水車３の上部へと向かい反時計回りに回転させようとする引き波を矢印１１ｅで示すように波力発電装置１の発電部６上側へと導くため、引き波が水車３の回転を邪魔するがなくなり、矢印１１ｂ，１１ａに示すように引き波によっても水車３を時計回りに回転させる力が多く作用する。また、水位の低下に伴い、矢印１１ｄに示すように、水車３の上側の水受け３ｂの裏側凸状部分に当たる引き波は、少なくなる。この結果、引き波の間、水車３は時計回りに効率良く回転する。

（応用例）
図１１は、本発明の実施形態の波力発電装置を複数用いて構成される発電システム５０を示す。発電システム５０は、複数（例えば２つ）の波力発電装置１、３１と、複数の波力発電装置１、３１により発電された電力を１つにまとめて出力する制御部４０と、を備えている。波力発電装置３１の構成は、波力発電装置１と同じである。

波力発電装置１、３１は、潮の満ち引きにより変化する海面の高さの範囲（水位Ｐｃ〜水位Ｐｅ）の内、引き波から寄せ波に変わる際の波高の谷高さが吸い込み口４下端の位置となる設置条件を満たすように、海岸からの距離を変えて設けられている。

海水は時間の経過に伴う潮の満ち引きにより水位が上下する。一日を通じて効率良く発電を行えるように、２つの波力発電装置１、３１は、潮の満ち引きにより変化する海面の高さの範囲の内、予め定めた複数の海面高さに設置される。より詳しくは、１つ目の波力発電装置１は、ある時間において、引き波から寄せ波に変わる際の波高の谷高さが吸い込み口４下端の位置となる設置条件を満たす海底に設置される。２つ目の波力発電装置３１は、前記時間において、引き波から寄せ波に変わる際の海面高さが、例えば吸い込み口４上側の位置以下の高さとなるように海底に設置される。

各波力発電装置１、３１の発電した電力を外部に出力する電線６ａ、３６ａは、例えば、陸地に設けてある制御部４０に接続される。制御部４０は、複数の波力発電装置１、３１の電線６ａ、３６ａに接続されている蓄電池４１と、蓄電池４１に蓄えられた電気を定電圧変換して外部に出力する定電圧回路４２と、を備えている。定電圧回路４２は、電力変換回路及び蓄電池の充放電制御回路を内蔵しており、所定のタイミング、例えば定刻又は蓄電池４１への蓄電量が所定値以上ある場合に、蓄電池４１に蓄えられた電力を所望の電圧に変換して出力する。

波力発電装置１、３１を用いる発電システム５０を用いることにより、潮の満ち引きによる影響を軽減して、より安定した発電を行うことができる。

なお、本発明は、上記各種実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、歯車変速機５ａ、５ｂは、ベルト又はチェーンを用いて複数の歯車を連結するものでも良い。また、水車３を中間位置で左右独立して回転できるように構成し、２つの歯車変速機のギア比を、軽い負荷で回転し発電するが低出力の発電用モータと、比較的重い負荷で回転し発電するが高出力の発電用モータとを駆動するように設定しても良い。

本発明は、寄せ波及び引き波の波力を用いて水車を回転させて発電を行う波力発電装置であり、海岸の他、寄せ波及び引き波のある場所、例えば人工海岸等でも使用できる。本明細書において、海岸、海底の語は、これに類する場所を含む。波力発電装置は、寄せ波に相当する水流のある川岸、例えば浅瀬又は段差のある個所にも使用することができる。この場合、引き波が実質無いが、波力発電装置は、引き波から寄せ波に変わる際の波高の谷高さとして、例えば、乾季の川面の波の高さが吸い込み口の下端位置以上となる位置に配置することにより、効率良く発電を行うことができる。

１、３１ 波力発電装置
２ メインフレーム
３ 水車
３ａ 回転軸
３ｂ 水受け
４ 吸い込み口
５ａ、５ｂ 歯車変速機
６ 発電部
６ｂ、６ｃ 発電用モータ
７ ガイド板
８ 引き波用の口
４０ 制御部
５０ 発電システム

Claims (5)

1. 沖方向から陸地に向けて海面から海底までの深さが漸次浅くなる傾斜した海岸の海底に設置され、海岸に打ち寄せる寄せ波及び打ち寄せた波が沖へ引いてゆく引き波の力を用いて発電を行う波力発電装置において、
   寄せ波の進行方向に交差する水平向きに回転軸を有した水車と、
   前記水車の回転に連動して回転して発電を行うように水車の回転軸に連結されている発電用モータと、
   寄せ波を通す吸い込み口と、
   引き波を通す引き波用の口と、
   前記吸い込み口の反対側にあって、前記水車の回転軸直上を通過する寄せ波を前記水車の回転方向に沿って流すように前記水車の外周を覆うガイド板と、
   前記回転軸、発電用モータ、吸い込み口、引き波用の口、及びガイド板を保持し、かつ、波力発電装置を海底に設置するためのフレームと、を備え、
   前記フレームは、潮の満ち引きにより変化する海面の高さの範囲の内、任意の或る時間において、引き波から寄せ波に変わる際の波高の谷高さが前記吸い込み口の下端位置となる設置条件を満たすように海底に設置固定され、
   前記水車は、前記回転軸の上側を通る寄せ波、及び、前記回転軸の下側を通る引き波を受けて回転し、
   前記吸い込み口は、当該開口下端が前記水車の回転軸より下側に位置し、かつ当該開口上端が前記水車の上端より上側に位置し、当該開口下端と開口上端の高さ範囲にある寄せ波を集めて前記水車の回転軸より上側と前記水車の上端との間に導き、
   前記引き波用の口は、前記吸い込み口の下側に設けられており、前記水車の回転軸より下側を通る引き波を通し、
   前記水車は、前記回転軸に放射状に複数設けられた水受けを有し、各水受けは前記回転軸方向に伸びる樋形状であって、波の進行方向から見て表面が凹状で、裏側が凸状とされている、ことを特徴とする波力発電装置。
2. 前記水受けは中空の円柱を当該円柱の軸に沿って半分に切断した形状を有していることを特徴とする、請求項１に記載の波力発電装置。
3. 前記水車の回転軸の両端側に、回転軸の回転を増速する歯車変速機が配置され、２つの発電用モータが前記両側の歯車変速機の上方に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の波力発電装置。
4. 前記吸い込み口は、中空の四角錐台形状を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の波力発電装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の波力発電装置が複数、潮の満ち引きにより変化する海面の高さの範囲の内、予め定めた複数の海面高さにおいて前記設置条件を満たすように海岸からの距離を変えて設けられており、
   前記複数の波力発電装置により発電された電力を１つにまとめて出力する制御部を備えている、ことを特徴とする波力発電システム。