JP6021175B2 - 波力発電システム及びその構築方法 - Google Patents

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。

一方、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８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吸廃気口Ｏを備え、往復気流γに相応した吸気流又は廃気流が、矢印ηで示すように吸廃気口Ｏを流通する。

他方、固定式振動水柱型波力発電システムにおいて、消波ブロックとしても機能するコンクリート構造の垂直円筒体を備えた構成のものが特開平11-201014号公報（特許文献２）に記載されている。垂直円筒体は、鉛直な中心軸線を有する円柱状の内部空間を有し、沿岸の岸壁等に垂直に設置される。垂直円筒体の下端部には、円柱状内部空間を海洋と連通せしめる波導入孔が形成される。垂直円筒体の頂部には、ウェルズタービンを備えた発電機が配設される。垂直円筒体の下部は、海中に没するように配置される。波導入孔を介して海洋と連続する内部空間の海水は、波の揺動に従って水面を上下動させるので、ウェルズタービンを介して大気に放出される廃気流と、ウェルズタービンを介して内部空間に流入する吸気流とが交互に発生する。このような吸気流及び廃気流によってウェルズタービンは回転し、ウェルズタービンに連結された発電機は発電する。

特開平10-246171号公報 特開平11-201014号公報

しかしながら、特許文献１に示される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。

これに対し、特許文献２に記載された自立形の垂直円筒体を用いて固定式振動水柱型波力発電システムを構築した場合、予め製造した円筒体を沿岸部等に設置することにより、ある程度は、建設費を低廉化し得るかもしれない。しかし、消波ブロックを兼ねた自立形の垂直円筒体は、波浪エネルギー等の外力に抗して垂直円筒体自身を位置固定し且つ姿勢保持するために、過大な自重を要する。このため、構造体の材料費又は資材費等が嵩むことから、図８に示す波力発電システムと同様、建設費が高額化する傾向がある。

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る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振動水柱型波力発電システムにおいて、
傾斜筒形の中空構造体からなり、傾斜柱状の内部中空域を有する波浪エネルギー吸収装置と、前記中空構造体の基端部に連結された送気管とを有し、
前記中空構造体は、海洋側に向かって下方に傾斜した傾斜面（Ｑ）に設置されており、前記内部中空域の中心軸線（Ｘ−Ｘ）は、該傾斜面の勾配に相応して全体的に傾斜しており、
前記吸収装置は、海洋波の入波方向と対向するように海洋に向かって海面下で開放した前記中空域の先端開口(13)を前記中空構造体の先端部に備え、該先端部は、前記基端部よりも下側に位置し、前記開口は、前記中心軸線と交差する面で前記先端部を切断した形態を有する前記中空構造体の先端面(19)によって画成されており、前記中空域は、海洋波の入波エネルギーに相応して上下方向に振動する傾斜柱状の水柱と、該水柱の水面上方に画成された傾斜柱状の空気室とを形成しており、
前記送気管は、前記空気室の空気圧変動に相応して発生する往復気流を前記発電装置に供給するように該空気室に流体連通しており、
前記吸収装置は、沿岸部の消波工を構成する多数の消波ブロックに囲まれて多数の消波ブロックに係合又は接触しており、前記傾斜面の支持力と、多数の前記消波ブロックの自重及び相互拘束力とによって消波工内に拘束されることを特徴とする振動水柱型波力発電システムを提供する。
好ましくは、上記先端面は、上記中空構造体の先端部を鉛直面によって切断した形態を有する。

上記構成の発電システムによれば、波浪エネルギーの入力により中空構造体内の水柱が振動し、中空構造体内の水面が上下動するので、中空構造体内の空気室の空気圧が変動する。空気室の空気は往復気流として送気管に送出される。送気管内の空気流は、往復気流として発電装置に供給され、或いは、一定方向の気流に調整又は変換された後に発電装置に供給され、発電装置は発電する。このような構成の波力発電システムによれば、波浪エネルギー吸収装置を構成する中空構造体は、沿岸の消波工内に配置すれば良いので、消波工を有する多くの海岸部において簡易に波浪エネルギー吸収装置を設置することができる。また、本発明の上記構成によれば、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。加えて、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を大幅に軽減し又は簡略化することができる。

更に、上記構成の発電システムによれば、波浪エネルギー吸収装置を構成する中空構造体は、沿岸の消波工を構成する消波ブロック群の中に配置される。消波工の各消波ブロックは、各ブロック自身の自重と、周囲の消波ブロックの拘束力又は保持力とにより、その位置を維持する性質を有する。中空構造体は、その自重と、周囲の多数の消波ブロックの拘束力又は保持力とにより、その位置を維持する。なお、「ブロック群の中」は、ブロック群の中に完全に隠蔽されることを意味するのではなく、ブロック群の一部を構成する消波工の構成要素としてブロック群に渾然と紛れ込み又は同化した状態を意味しており、部分的にブロック群から外側に突出する部分を吸収装置が含むことを完全に排除する意味ではない。

好ましくは、上記中空構造体は、消波ブロックに係合又は接触するように中空構造体の外面から外方に延びる複数の突起又は突出部を備えており、海底又は海中構造物に係留されず、消波ブロックとの係合又は接触のみによって消波工内に拘束される。更に好ましくは、中空構造体の先端部に隣接して配置された支持台が更に設けられる。支持台は、海底又は海中構造物上に構築されるとともに、平面視において、海洋側に向かって拡開する形態を有する。支持台は、中空構造体が海洋側に変位するのを阻止する。

一般に、消波工においては、消波ブロックに作用する波浪、津波、地震力、潮位変化、劣化因子等の影響により各消波ブロックが若干移動し又は変位するとともに、一群の消波ブロック全体の位置が全体的に僅かに移動し又は変位する傾向があるが、消波ブロックとの係合又は接触のみによって消波工内に拘束される上記中空構造体は、海底、海中構造物（海底マウンド等）、防波堤等に固定又は係留されず、消波ブロックに係合又は接触して消波工内に保持されるにすぎない。従って、波浪エネルギー吸収装置は、周囲の消波ブロックと一緒に移動又は変位するので、堅固な位置拘束に起因した過大な内部応力が移動過程又は変位過程の中空構造体に作用する事態を未然に回避することができる。なお、このように中空構造体の移動又は変位を許容した本発明の発電システムは、固定式の波力発電システムではなく、浮体式の波力発電システムでもなく、半固定式又は置き式（置き基礎式）の波力発電システムである。

他の手段として、上記中空構造体を海底又は海中構造物に係留するアンカー手段によって中空構造体を位置固定することも可能である。この場合、若干の変位又は移動を許容可能に中空構造体を海底又は海中構造物等に固定しても良く、或いは、変位又は移動を全く許容しないように中空構造体を海底又は海中構造物等に堅固に固定しても良い。

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振動水柱型波力発電システムの構築方法において、
傾斜柱状の内部中空域を有し、その中心軸線（Ｘ−Ｘ）と交差する面で先端部を切断した形態を有する先端面(19)を備えた傾斜筒形の中空構造体からなる波浪エネルギー吸収装置と、前記中空構造体の基端部に連結された送気管とを使用し、
海洋側に向かって下方に傾斜した傾斜面（Ｑ）に前記中空構造体を設置し、前記先端面によって画成された先端開口(13)が前記基端部よりも下側に位置するように前記内部中空域の中心軸線を前記傾斜面の勾配に相応して全体的に傾斜させて、前記開口を海面下で海洋に開放するとともに、海洋波の入波方向と対向するように前記開口を海洋に向けて前記中空構造体を配向し、これにより、海洋波の入波エネルギーに相応して上下方向に振動する傾斜柱状の水柱と、該水柱の水面上方に画成された傾斜柱状の空気室とを前記中空構造体の内部中空域に形成して、前記空気室の空気圧変動に相応して発生する往復気流を前記送気管によって前記発電装置に供給する前記吸収装置を構成し、
沿岸部の消波工を構成する多数の消波ブロックで前記中空構造体を囲んで前記吸収装置を多数の消波ブロックに係合又は接触せしめ、前記傾斜面の支持力と、多数の前記消波ブロックの自重及び相互拘束力とによって、前記吸収装置の位置及び姿勢を前記消波工内に拘束することを特徴とする振動水柱型波力発電システムの構築方法を提供する。

更に他の観点により、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、
傾斜柱状の内部中空域を有し、その中心軸線（Ｘ−Ｘ）と交差する面で先端部を切断した形態を有する先端面(19)を備えた傾斜筒形の中空構造体からなり、傾斜柱状の内部中空域を有する波浪エネルギー吸収装置と、該中空構造体の基端部に連結された送気管とを使用し、
海洋側に向かって下方に傾斜した傾斜面（Ｑ）に前記中空構造体を設置し、前記先端面によって画成された先端開口(13)が前記基端部よりも下側に位置するように前記内部中空域の中心軸線（Ｘ−Ｘ）を前記傾斜面の勾配に相応して全体的に傾斜させて、前記開口を海面下で海洋に開放するとともに、海洋波の入波方向と対向するように前記開口を海洋に向けて前記中空構造体を配向し、これにより、海洋波の入波エネルギーに相応して上下方向に振動する傾斜柱状の水柱と、該水柱の水面上方に画成された傾斜柱状の空気室とを前記中空構造体の内部中空域に形成し、
沿岸部の消波工を構成する多数の消波ブロックで前記中空構造体を囲んで前記吸収装置を多数の消波ブロックに係合又は接触せしめ、
前記空気室の空気圧変動に相応して発生する往復気流を前記送気管によって前記発電装置に供給するとともに、前記傾斜面の支持力と、多数の前記消波ブロックの自重及び相互拘束力とによって、前記吸収装置の位置及び姿勢を前記消波工内に維持し、
前記水面の上下動により発生する空気振動流によって前記発電装置を作動させ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る振動水柱型波力発電システムを提供することができる。

また、本発明によれば、波浪エネルギー吸収装置を既存又は新設の消波工の中に渾然と設置することができるので、景観を損なわず、しかも、中空構造体を消波ブロックとして使用することも可能であるので、実用的に有利である。

更に、本発明によれば、中空構造体等のシステム構成要素を規格化、標準化又はユニット化し、或いは、中空構造体等を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、発電システムの設置コストを全体的に更に低廉化するとともに、現場工事の簡素化、材料費、資材費及び工事費の低減、工程の短縮等を更に追求することが可能となるので、実用的に極めて有利である。

図１は、本発明の実施例に係る振動水柱型波力発電システムの全体構成を示す概略側面図である。 図２は、図１に示す振動水柱型波力発電システムの概略平面図である。 図３は、傾斜面上に配置された波浪エネルギー吸収装置の状態を示す概略斜視図である。 図４は、波浪エネルギー吸収装置の縦断面図である。 図５（Ａ）は、空気室の空気圧変動を概略的に示す線図であり、図５（Ｂ）は、バッファタンク内の空気圧変動を概略的に示す線図である。 図６は、波浪エネルギー吸収装置内の水位変化の態様を示す縦断面図である。 図７は、波浪エネルギー吸収装置の変形例を示す断面図であり、中空構造体をアンカー手段によって海底マウンドに固定した状態が示されている。 図８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断面図である。

本発明の好適な実施形態によれば、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、各々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。

本発明の或る実施形態によれば、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、常に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。

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振動水柱型波力発電システムの全体構成を示す概略側面図及び概略平面図である。

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の波打ち帯に建設された防波堤Ｊが示されている。防波堤Ｊは海岸線に沿って延びる。防波堤Ｊの海洋側（水域側）には、捨石マウンドＫが敷設される。捨石マウンドＫは、海洋側に向かって下方に傾斜する傾斜面Ｑを有する。捨石マウンドＫ上には、打ち寄せる波のエネルギーを低減するための消波工Ｒが配設される。消波工Ｒは、一群のコンクリート製消波ブロックＴにより形成される。

本実施例の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、傾斜面Ｑ上に配置された波浪エネルギー吸収装置１０と、陸地Ｌの地盤面又は岩盤面に配置されたバッファタンク２０及び発電室３０と、波浪エネルギー吸収装置１０とバッファタンク２０とを接続する送気管４０とから構成される。好ましくは、発電システム１は、発電室３０内の発電装置３１が発電した電気を蓄電する蓄電装置６０を更に有する。蓄電装置６０は、給電線３５を介して発電装置３１に接続されるとともに、電力を系外に送電するため送電線６１に接続される。

波浪エネルギー吸収装置１０（以下、「吸収装置１０」という。）は、全体的に中空円筒体に成形された鉄筋コンクリート製の中空構造体１１からなり、中空構造体１１の中心軸線Ｘ−Ｘと同心の円柱状中空域１２と、海洋に向かって中空域１２を開放する開口１３と、中空構造体１１の外周面に突設された複数の突起１８とを備える。中空構造体１１の中心軸線Ｘ−Ｘは、傾斜面Ｑの勾配に相応して傾斜しており、水平面に対して角度θ（図４）をなして傾斜する。

図３は、傾斜面Ｑ上に配置された吸収装置１０の状態を示す概略斜視図であり、図４は、吸収装置１０の縦断面図である。なお、図３では、消波ブロックＴの図示は、省略されており、図４では、消波ブロックＴは破線で示されている。

図３及び図４に示すように、突起１８は、中空構造体１１の外周面から径方向外方に一体的に延びる截頭円錐形の鉄筋コンクリート部材であり、周囲の消波ブロックＴに係合（又は係止）するとともに、捨石マウンドＫを構成する捨石群（又は捨石マウンドＫ上の被覆石等（図示せず））に係合（又は係止）し又は接地する。中空構造体１１は、消波工Ｒの中に渾然と埋没し、消波工Ｒに同化しており、その自重と、周囲の消波ブロックＴの自重及び相互拘束力と、捨石マウンドＫの支持力（荷重支持力、摩擦保持力、係合保持力等）とによって初期の姿勢及び位置を維持する。但し、中空構造体１１は、捨石マウンドＫ、防波堤Ｊ及び海底Ｂ等に固定又は係留されていない。なお、図１及び図４において、下側の突起１８は、捨石マウンドＫ内に延入しているかのように概念的に図示されているが、下側の突起１８は、図３に示すように、その先端部が捨石マウンドＫに接地し又は捨石マウンドＫの凹凸に係合し、或いは、捨石マウンドＫ上の被覆石等（図示せず）に接地、係合又は係止するにすぎない。

開口１３は、傾斜した円筒状中空体を鉛直面によって切断した形態の先端面１９に形成される。鉄筋コンクリート構造の支持台５０が、先端面１９の下端部から傾斜面Ｑに沿って海洋側に延びる。支持台５０は、先端面１９から平面視扇状に拡開するとともに、傾斜面Ｑの傾斜角よりも小さい傾斜角の斜面５１を形成する。支持台５０の上端部５２は、先端面１９の下端部に当接して中空構造体１１の自重の一部を支承する支点として機能し、中空構造体１１の姿勢及び位置を保持するように機能する。中空構造体１１は、傾斜面Ｑの傾斜によって海洋側に移動し又は変位しようとするが、このような中空構造体１１の移動又は変位は、消波ブロックＴ又は捨石マウンドＫに対する突起１８の係合及び接地と、支持台５０による支承とによって確実に阻止することができる。

中空構造体１１は、海水Ｗの水面ＷＬが開口１３の上方且つ基端部１６の下方に位置するように配置される。水柱１４が中空域１２の下部に形成され、空気室１５が中空域１２の上部に形成される。開口１３を介して海水Ｗが中空域１２に流入しており、矢印αで示す海洋波浪の入波エネルギーにより、水柱１４が上下方向に振動する。水柱１４の水面が矢印β方向に上下動するので、空気室１５内の空気柱の空気圧が変動する。基端部１６は全体的に閉塞しており、給排ポート１６ａが中心部に形成される。

支持台５０の領域は他の部分よりも相対的に水深が浅く、しかも、支持台５０は、海洋に向かって平面視扇状に拡開しているので、消波工Ｒに接近する波は開口１３に向かって収斂し、開口１３内に進入する波の波高は増大する。この結果、水柱１４の上下方向の振幅が増大し、空気室１５内の空気柱の空気圧が比較的大きく変動する（従って、吸収装置１０のエネルギー吸収量が増大する）。

消波工Ｒを構成する各消波ブロックＴは、その自重と、周囲の消波ブロックＴとの相互係合又は相互接触とにより、基本的にはその初期位置を維持するが、消波ブロックＴに作用する波浪、津波、地震力、潮位変化、劣化因子等の影響により各消波ブロックＴが若干移動し又は変位するとともに、一群の消波ブロックＴ全体の位置が全体的に僅かに移動し又は変位する傾向がある。消波工Ｒの中に埋没した中空構造体１１は、捨石マウンドＫ、防波堤Ｊ及び海底Ｂ等に固定又は係留されていないので、周囲の消波ブロックＴと一緒に移動又は変位するとともに、堅固な位置拘束に起因した過大な内部応力が移動過程又は変位過程の中空構造体１１に作用しない。

このような中空構造体１１の移動又は変位を考慮し、変形可能なフレキシブル管からなる送気管４０が、フレキシブルジョイントからなる継手４１を介して中空構造体１１の給排ポート１６ａに接続される。中空構造体１１の移動又は変位は、送気管４０及び継手４１の変形によって吸収される。

送気管４０は、防波堤Ｊの頂部を乗り越えて陸地側に延び、陸地Ｌ上のバッファタンク２０に接続される。図２に示すように、複数の吸収装置１０が消波工Ｒ内に並列に配置され、各吸収装置１０に接続された各送気管４０は、フレキシブルジョイントからなる継手２１を介してバッファタンク２０に接続される。バッファタンク２０は、両端を閉塞した円形断面の金属製管体又は鉄筋コンクリート製管体からなる。各送気管４０の往復気流γが、空気室１５の空気圧変動に相応して、バッファタンク２０に供給される。バッファタンク２０は、各送気管４０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させ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、吸収装置１０内の海水が発電装置３１に到達す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。

発電室３０は、バッファタンク２０に隣接して陸地Ｌの地盤面又は岩盤面に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。空気タービン型の発電装置３１が、発電室３０内に配設される。発電室３０の室内空間を外気と連通せしめる吸廃気口３６を備える。発電装置３１の給排気口３２が空気搬送ダクト３３を介してバッファタンク２０の給排気口２２に接続され、空気搬送ダクト３３の往復気流λは発電装置３１に作用する。発電装置３１は、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ており、発電装置３１のタービン部は、往復気流λにより回転駆動し、発電装置３１の発電機は発電する。発電装置３１が発電した電気は蓄電装置６０に蓄電され、送電線６１を介して系外に適宜送電される。往復気流λに相応した吸気流又は廃気流が、矢印ηで示すように発電室３０の吸廃気口３６を流通する。

図５（Ａ）は、空気室１５の空気圧変動を示す線図であり、図５（Ｂ）は、バッファタンク２０内の空気圧変動を示す線図である。

図５（Ａ）には、空気室１５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１５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１５に発生する。図５（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５（Ｂ）に示されるように、空気室１５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１５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６は、吸収装置１０内の水面の水位変化を示す線図である。

吸収装置１０内の水柱１４は、海洋波浪の入波エネルギーαの作用で上下方向に振動し、図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）に示すように矢印β方向に上下動し、この結果、空気室１５の空気圧が変動する。空気室１５の空気圧変動に相応して、矢印γで示すように往復気流が各送気管４０を介してバッファタンク２０（図１及び図２）に供給される。図１及び図２に示されるように、バッファタンク２０は、圧力緩衝後の往復気流λを空気搬送ダクト３３によって発電装置３１に供給する。

図６に示すとおり、中空構造体１１は、先端面１９が基端部１６よりも下側に位置するように全体的に傾斜しているので、水柱１４の水面１４ａは、楕円又は長円形に拡大しており、従って、水面１４ａの面積は、中空構造体１１の中心軸線Ｘ−Ｘを鉛直方向に配向した状態に比べて、かなり増大する。しかも、先端面１９の開口１３を海洋に向けて開放した傾斜円筒形の中空構造体１１は、海洋波浪の入波エネルギーαを効率的に水柱１４の上下振動に変換する。即ち、中空構造体１１は、海洋波の運動を空気室１５の空気圧に効果的に変換するので、吸収装置１０の波浪エネルギー吸収能力は向上する。このような傾斜円筒体の優位性は、本出願人の出願に係る特願2011-172439号の図１２〜図１４に実験条件及び実験結果として示され、特願2011-172439号の明細書、段落［００４６］〜［００４８］に実験結果として記載されているので、更なる詳細な説明については、省略する。

かくして、上記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αによって吸収装置１０内の水柱１４が上下方向に振動すると、水柱１４の水面が矢印β方向に上下動するので、空気室１５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の発電機が発電し、発電装置３１が発電した電気は蓄電装置６０に蓄電され、系外に適宜送電される。

図７は、吸収装置１０の変形例を示す断面図である。

前述の実施例においては、中空構造体１１は、消波工Ｒの中に渾然と配置され、中空構造体１１自身の重量と、周囲の消波ブロックＴの拘束力又は保持力とにより、その位置を維持するが、図７に示す如く、アンカー手段７０によって中空構造体１１をマウンドＫ又は海底Ｂに位置固定しても良い。図７に示すアンカー手段７０は、ＰＣ鋼より線（撚り線）、ＰＣ鋼線、ＰＣ棒鋼等の線形ＰＣ鋼材７２をマウンドＫ及び海底Ｂの削孔７１内に挿入してグラウト材（セメントミルク等）を削孔７１内に注入・充填してなるグラウンドアンカー工又はアースアンカー工からなる。アンカー手段７０は、軸線Ｘ−Ｘ方向に間隔を隔てて中空構造体１１の周壁下部に配設され、ＰＣ鋼材７２の頂部は、補剛材７３及び補剛部７４を介して中空構造体１１の周壁下部に一体的に連結される。補剛材７３は、ＰＣ鋼材７２の張力を中空構造体１１に伝達可能な金属部材等からなり、補剛部７４は、ＰＣ鋼材７２及び中空構造体１１に一体化したコンクリート部材からなる。なお、所定の荷重で圧潰、圧壊又は変形するように構成された部材により補剛部７４を設計し、中空構造体１１の変位時又は挙動時に中空構造体１１に過負荷が働くのを防止するように吸収装置１０を構成しても良く、或いは、中空構造体１１の変位又は挙動に追随して変形し得るように補剛材７３又は補剛部７４を設計しても良い。また、変形例として、鋼製杭、鋼管杭、既製コンクリート杭等によって中空構造体１１をマウンドＫ又は海底Ｂに堅固に固定することも可能である。

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、円形断面を有する鉄筋コンクリート構造の中空構造体によっ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、多角形断面等の中空構造体によって波浪エネルギー吸収装置を形成し、或いは、鋼製又は金属製の中空構造体によって波浪エネルギー吸収装置を形成することも可能である。

また、上記実施例においては、等断面の内部中空域を有する中空構造体によって波浪エネルギー吸収装置を形成しているが、断面寸法が徐々に変化し又は段階的に変化する内部中空域を有する中空構造体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、上記実施例では、発電装置は、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ているが、往復気流を単一方向の気流に調整する弁装置等を気流変換手段としてバッファタンクと発電装置との間に介装するとともに、汎用のラジアルタービン、軸流タービン等を備えた構成の発電装置を採用しても良い。なお、このような気流変換手段については、例えば、本出願人の出願に係る特願2011-172439号に記載されている。

また、バッファタンク、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。

本発明の発電システムは、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とともに、海底等に固定せず、海面又は海中に浮遊することもない半固定式の振動水柱型波力発電システムとして好ましく使用し得る。本発明によれば、消波工を有する多くの海岸部に適応可能な構造を有し、しかも、規格化、標準化又はユニット化等により、材料費又は資材費や、建設費等を低廉化することができるので、その実用的価値は顕著である。

１ 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 中空構造体
１２ 円柱状中空域
１３ 開口
１４ 水柱
１５ 空気室
１６ 基端部
１８ 突起
１９ 先端面
２０ バッファタンク
３０ 発電室
３１ 空気タービン型発電装置
４０ 送気管
５０ 支持台
６０ 蓄電装置
７０ アンカー手段
Ｊ 防波堤
Ｌ 陸地
Ｑ 傾斜面
Ｗ 海水
Ｋ 捨石マウンド
Ｂ 海底
Ｒ 消波工
Ｔ 消波ブロック
α 入波エネルギー
γ、λ 往復気流

Claims (12)

1. 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振動水柱型波力発電システムにおいて、
   傾斜筒形の中空構造体からなり、傾斜柱状の内部中空域を有する波浪エネルギー吸収装置と、前記中空構造体の基端部に連結された送気管とを有し、
   前記中空構造体は、海洋側に向かって下方に傾斜した傾斜面（Ｑ）に設置されており、前記内部中空域の中心軸線（Ｘ−Ｘ）は、該傾斜面の勾配に相応して全体的に傾斜しており、
   前記吸収装置は、海洋波の入波方向と対向するように海洋に向かって海面下で開放した前記中空域の先端開口(13)を前記中空構造体の先端部に備え、該先端部は、前記基端部よりも下側に位置し、前記開口は、前記中心軸線と交差する面で前記先端部を切断した形態を有する前記中空構造体の先端面(19)によって画成されており、前記中空域は、海洋波の入波エネルギーに相応して上下方向に振動する傾斜柱状の水柱と、該水柱の水面上方に画成された傾斜柱状の空気室とを形成しており、
   前記送気管は、前記空気室の空気圧変動に相応して発生する往復気流を前記発電装置に供給するように該空気室に流体連通しており、
   前記吸収装置は、沿岸部の消波工を構成する多数の消波ブロックに囲まれて多数の消波ブロックに係合又は接触しており、前記傾斜面の支持力と、多数の前記消波ブロックの自重及び相互拘束力とによって消波工内に拘束されることを特徴とする振動水柱型波力発電システム。
2. 前記中空構造体は、前記消波ブロックに係合又は接触するように該中空構造体の外面から外方に延びる複数の突起又は突出部を備えており、海底又は海中構造物に係留されず、前記消波ブロックとの係合又は接触のみによって消波工内に拘束されることを特徴とする請求項１に記載の振動水柱型波力発電システム。
3. 前記波浪エネルギー吸収装置は、前記中空構造体を海底又は海中構造物に係留して該中空構造体を位置固定するアンカー手段を有することを特徴とする請求項１に記載の振動水柱型波力発電システム。
4. 前記中空構造体が海洋側に変位するのを阻止するように、該中空構造体の先端部に隣接して配置された支持台を更に有し、該支持台は、海底又は海中構造物上に構築されるとともに、平面視において、海洋側に向かって拡開する形態を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の振動水柱型波力発電システム。
5. 複数の前記吸収装置が並列に設けられ、各々の吸収装置に連結された前記送気管は、前記往復気流の微細な圧力変動を緩和するバッファタンクに連結され、該バッファタンクは、空気搬送路を介して前記発電装置に連結されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動水柱型波力発電システム。
6. 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振動水柱型波力発電システムの構築方法において、
   傾斜柱状の内部中空域を有し、その中心軸線（Ｘ−Ｘ）と交差する面で先端部を切断した形態を有する先端面(19)を備えた傾斜筒形の中空構造体からなる波浪エネルギー吸収装置と、前記中空構造体の基端部に連結された送気管とを使用し、
   海洋側に向かって下方に傾斜した傾斜面（Ｑ）に前記中空構造体を設置し、前記先端面によって画成された先端開口(13)が前記基端部よりも下側に位置するように前記内部中空域の中心軸線を前記傾斜面の勾配に相応して全体的に傾斜させて、前記開口を海面下で海洋に開放するとともに、海洋波の入波方向と対向するように前記開口を海洋に向けて前記中空構造体を配向し、これにより、海洋波の入波エネルギーに相応して上下方向に振動する傾斜柱状の水柱と、該水柱の水面上方に画成された傾斜柱状の空気室とを前記中空構造体の内部中空域に形成して、前記空気室の空気圧変動に相応して発生する往復気流を前記送気管によって前記発電装置に供給する前記吸収装置を構成し、
   沿岸部の消波工を構成する多数の消波ブロックで前記中空構造体を囲んで前記吸収装置を多数の消波ブロックに係合又は接触せしめ、前記傾斜面の支持力と、多数の前記消波ブロックの自重及び相互拘束力とによって、前記吸収装置の位置及び姿勢を前記消波工内に拘束することを特徴とする振動水柱型波力発電システムの構築方法。
7. 前記空気室の圧力変動により発生する往復気流の微細な圧力変動を緩和するバッファタンクを更に使用し、複数の前記吸収装置を前記バッファタンクに並列に接続するとともに、該バッファタンクを空気搬送路によって前記発電装置に接続することを特徴とする請求項６に記載の構築方法。
8. 前記発電装置は、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ることを特徴とする請求項７に記載の構築方法。
9. 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７に記載の構築方法。
10. 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、
    傾斜柱状の内部中空域を有し、その中心軸線（Ｘ−Ｘ）と交差する面で先端部を切断した形態を有する先端面(19)を備えた傾斜筒形の中空構造体からなり、傾斜柱状の内部中空域を有する波浪エネルギー吸収装置と、該中空構造体の基端部に連結された送気管とを使用し、
    海洋側に向かって下方に傾斜した傾斜面（Ｑ）に前記中空構造体を設置し、前記先端面によって画成された先端開口(13)が前記基端部よりも下側に位置するように前記内部中空域の中心軸線（Ｘ−Ｘ）を前記傾斜面の勾配に相応して全体的に傾斜させて、前記開口を海面下で海洋に開放するとともに、海洋波の入波方向と対向するように前記開口を海洋に向けて前記中空構造体を配向し、これにより、海洋波の入波エネルギーに相応して上下方向に振動する傾斜柱状の水柱と、該水柱の水面上方に画成された傾斜柱状の空気室とを前記中空構造体の内部中空域に形成し、
    沿岸部の消波工を構成する多数の消波ブロックで前記中空構造体を囲んで前記吸収装置を多数の消波ブロックに係合又は接触せしめ、
    前記空気室の空気圧変動に相応して発生する往復気流を前記送気管によって前記発電装置に供給するとともに、前記傾斜面の支持力と、多数の前記消波ブロックの自重及び相互拘束力とによって、前記吸収装置の位置及び姿勢を前記消波工内に維持し、
    前記水面の上下動により発生する空気振動流によって前記発電装置を作動させることを特徴とする発電方法。
11. 前記空気室の圧力変動により発生する往復気流の微細な圧力変動をバッファタンクにより緩和した後、該往復気流を前記発電装置に供給することを特徴とする請求項１０に記載の発電方法。
12. 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ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の発電方法。
    
    

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