JP6797397B2 - 越波式波力利用装置及び越波式波力利用施設 - Google Patents

Description

本発明は、海洋又は河川等の水面に設置されて波を取り込み、貯えた水のエネルギーを利用する越波式波力利用装置及び越波式波力利用施設に関する。

海洋又は河川等に設置され、波を利用して発電等を行う装置は従来から提案されている。
例えば特許文献１には、水上に浮かぶ浮体に、上下揺加速度を発信する加速度計と、バラスト水量を発信するバラストタンクと、バラストタンクに水を出し入れする水ポンプと、同調制御器とを備え、バラスト水量を増減して上下揺を同調させる波力発電用浮体が記載されている。
また、特許文献２には、水面下に設置され、波の来る方向に所定間隔で配列された対をなす空気室と、両空気室を連結する管と、管内に設けられた発電機室とを備え、波により生ずる圧力変動で両空気室が交互に収縮・膨張することによって空気が流動して発電する波力発電装置が記載されている。
また、特許文献３には、波の遡上高さを高くしてより高い越波揚程を確保し、それによって大きな発電エネルギーを得ることを目的として、水槽と、波を水槽に導く傾斜体とを備え、上り勾配で設置された傾斜体には流路絞り部が設けられている越波式波力発電装置が記載されている。

特開昭５２−１５９４５号公報 特開昭５７−１８３５７４号公報 特開２０１５−１３５０９４号公報

特許文献１及び特許文献２は、波を取り込み、貯えた水のエネルギーを利用して発電等を行う越波式波力利用装置に関する発明ではない。
特許文献３は、越波式波力発電装置に関する発明である。しかし、このような従来の越波式波力利用装置は、波の波長が長くなると装置が波とともに上昇（いわゆる波乗り）し、取り込まれる波の量が減少して発電効率等が低下してしまう。

そこで本発明は、越波式波力利用装置及び越波式波力利用施設において、波の波長が長くなったときに越波式波力利用装置が波とともに上昇することを抑制してより多くの波を取り込み、発電等の効率を向上させることを目的とする。

請求項１記載に対応した越波式波力利用装置においては、波を取り込む水面に浮遊して臨んだ貯水手段と、貯水手段の上部に設けた波を取り込む開口と、貯水手段の上面全体にわたって開口から外方向に傾斜させて設けた傾斜板と、水中に設けられ水圧により伸縮する水圧伸縮手段と、貯水手段と水圧伸縮手段を連結する連結手段と、貯水手段又は水圧伸縮手段を水底に係止する係止手段と、貯水手段に貯えた水を利用する利用手段とを備え、水圧伸縮手段が波の到来による水圧の変化により縮み、連結手段を介して貯水手段を水面に対してより低い位置に臨ませ、全方向から到来した波を傾斜板から開口を介して、より多く貯水手段に取り込むことを特徴とする。
請求項１に記載の本発明によれば、波の波長が長く波高が高くなると、水中に配置された水圧伸縮手段は水圧によって縮み、寸法が小さくなり又は全体の浮力が小さくなるので、水圧伸縮手段の上方に連結された貯水手段が連結手段を介して水中に引き込まれる。これにより、貯水手段が波とともに上昇すること（いわゆる波乗り）を抑制できる。波乗りを抑制することで波が貯水手段を越えやすくなり、より多くの水を貯水手段に取り込むことができるので、波のエネルギーを利用した発電等の効率が向上する。また、傾斜板を設けることで、波が貯水手段の上部まで到達しやすくなり、貯水手段により多くの波を取り込むことができる。

請求項２記載の本発明は、貯水手段は、その下部に貯えた水を放流する放流管を有していることを特徴とする。
請求項２に記載の本発明によれば、水を貯水手段の高い位置に貯えて下方へ放流することで、波のエネルギーを有効に利用できる。

請求項３記載の本発明は、貯水手段の上面に乗り上がった波を開口に導くガイド板を設けたことを特徴とする。
請求項３に記載の本発明によれば、貯水手段の上面に乗り上がった波が開口に導かれやすくなる。

請求項４記載の本発明は、利用手段は、放流管に臨ませたタービンを回転させて発電を行う発電機であることを特徴とする。
請求項４に記載の本発明によれば、貯水手段内を流れ落ちる水のエネルギーによりタービンを回転させて発電を行う、効率の良い越波型波力発電装置を実現できる。

請求項５記載の本発明は、貯水手段が所定の浮力を有し、連結手段として設けた連結索により貯水手段が水圧伸縮手段に連結されていることを特徴とする。
請求項５に記載の本発明によれば、貯水手段に浮力を付与する浮力付与手段を別途設ける必要が無い。また、水圧伸縮手段を貯水手段から所定距離下方に配置することができる。

請求項６記載の本発明は、水圧伸縮手段の一部もしくは全部が内部に気体を封入した可撓性の材料で構成されていることを特徴とする。
請求項６に記載の本発明によれば、可撓性の材料で構成された部分が水圧で圧縮されることにより、水圧伸縮手段を縮ませ寸法を小さくすること又は全体の浮力を小さくすることができる。

請求項７記載の本発明は、係止手段は、水圧伸縮手段を水底に係留する係留索、もしくは直接固定する固定手段であることを特徴とする。
請求項７に記載の本発明によれば、水圧伸縮手段を所定の水中位置に設けることができる。

請求項８記載に対応した越波式波力利用施設においては、請求項１から請求項７のうちの１項に記載の越波式波力利用装置を、海岸の波の到来箇所に備えたことを特徴とする。
請求項８に記載の本発明によれば、波が高くなりやすい海岸近くの水を取り込むため効率が良い。

請求項９記載の本発明は、越波式波力利用装置を海岸に沿って複数機備えたことを特徴とする。
請求項９に記載の本発明によれば、より多くの波を取り込むことができる。

請求項１０記載の本発明は、越波式波力利用装置の貯水手段を波の到来方向に複数個備えたことを特徴とする。
請求項１０に記載の本発明によれば、最初に波が到来する貯水手段で取り込めなかった波を、より海岸に近くに設置された貯水手段で取り込むことができる。

本発明の越波式波力利用装置によれば、波の波長が長く波高が高くなると、水中に配置された水圧伸縮手段は水圧によって縮み、寸法が小さくなり又は全体の浮力が小さくなるので、水圧伸縮手段の上方に連結された貯水手段が連結手段を介して水中に引き込まれる。これにより、貯水手段が波とともに上昇すること（いわゆる波乗り）を抑制できる。波乗りを抑制することで波が貯水手段を越えやすくなり、より多くの水を貯水手段に取り込むことができるので、波のエネルギーを利用した発電等の効率が向上する。また、傾斜板を設けることで、波が貯水手段の上部まで到達しやすくなり、貯水手段により多くの波を取り込むことができる。

また、貯水手段は、その下部に貯えた水を放流する放流管を有している場合には、水を貯水手段の高い位置に貯えて下方へ放流することで、波のエネルギーを有効に利用できる。

また、貯水手段の上面に乗り上がった波を開口に導くガイド板を設けた場合には、貯水手段の上面に乗り上がった波が開口に導かれやすくなる。

また、利用手段は、放流管に臨ませたタービンを回転させて発電を行う発電機である場合には、貯水手段内を流れ落ちる水のエネルギーによりタービンを回転させて発電を行う、効率の良い越波型波力発電装置を実現できる。

また、貯水手段が所定の浮力を有し、連結手段として設けた連結索により貯水手段が水圧伸縮手段に連結されている場合には、貯水手段に浮力を付与する浮力付与手段を別途設ける必要が無い。また、水圧伸縮手段を貯水手段から所定距離下方に配置することができる。

また、水圧伸縮手段の一部もしくは全部が内部に気体を封入した可撓性の材料で構成されている場合には、可撓性の材料で構成された部分が水圧で圧縮されることにより、水圧伸縮手段を縮ませ寸法を小さくすること又は全体の浮力を小さくすることができる。

また、係止手段は、水圧伸縮手段を水底に係留する係留索、もしくは直接固定する固定手段である場合には、水圧伸縮手段を所定の水中位置に設けることができる。

また、越波式波力利用装置を海岸の波の到来箇所に備えた越波式波力利用施設とした場合には、波が高くなりやすい海岸近くの水を取り込むため効率が良い。

また、越波式波力利用装置を海岸に沿って複数機備えた場合には、より多くの波を取り込むことができる。

また、越波式波力利用装置の貯水手段を波の到来方向に複数個備えた場合には、最初に波が到来する貯水手段で取り込めなかった波を、より海岸に近くに設置された貯水手段で取り込むことができる。

本発明の一実施形態による越波式波力利用装置の概略構成図 同貯水手段の一部透過概略構成図 本発明の他の実施形態による越波式波力利用装置の貯水手段と水圧伸縮手段との連結状態の例を示す概念図 本発明のさらに他の実施形態による越波式波力利用装置と水底との係止状態の例を示す概念図 本発明の一実施形態による越波式波力利用装置を用いた越波式波力利用施設の概略構成図

以下に、本発明の実施形態による越波式波力利用装置及び越波式波力利用施設について説明する。

図１は、本発明の一実施形態による越波式波力利用装置の概略構成図である。
越波式波力利用装置１は、水面Ａに浮遊する貯水手段１０と、水中に設けられる水圧伸縮手段２０と、貯水手段１０と水圧伸縮手段２０を連結する連結手段３０と、貯水手段１０又は水圧伸縮手段２０を水底Ｂに係止する係止手段４０と、貯水手段１０に貯えた水を利用する利用手段５０とを備える。

越波式波力利用装置１は、海洋等、波が発生する領域に単数又は複数で設置される。
貯水手段１０は、所定の浮力を有する浮体であり、波が無い状態では上部が水面Ａ上に露出する。貯水手段１０の上部の中央には開口１１が形成されている。越波式波力利用装置１に到来する波のうち貯水手段１０を越える波は、開口１１から貯水手段１０に取り込まれて内部に貯水される。利用手段５０は、貯水手段１０の下部から放流される水のエネルギーを電力又は機械的な動力用等の他のエネルギーに変換して利用することができる。
なお、貯水手段１０は、所定の浮力を有する別の浮体で支持すること等によって水面Ａに浮遊させてもよい。

水中に設けられた水圧伸縮手段２０は、円柱状であり、上部体２１と下部体２２との間に伸縮部２３を有する。上部体２１及び下部体２２は、水圧によって容易に変形することが無いように硬質の材料で構成されている。伸縮部２３は、内部に封入された空気等の気体をシールし伸縮することのできる可撓性の材料で構成されており、水圧により伸縮する。
この水圧伸縮手段２０は、波の高さの低い、すなわち水圧伸縮手段２０にかかる水圧が低く空気等の気体が膨張した状態であっても、浮力を相殺した全体の重力が下方に働くように設定されている。
また、水圧伸縮手段２０は、貯水手段１０の下方に設置されている。水圧伸縮手段２０は、連結手段３０を介して貯水手段１０に連結されている。連結手段３０は、複数の連結索３１から成る。連結索３１は、上端が貯水手段１０の下面に接続され、下端が水圧伸縮手段２０の上面に接続され、貯水手段１０が所定の浮力を有し、水圧伸縮手段２０の重力が下方に働くように設定されているため、弛みなく張られている。
水圧伸縮手段２０は、係止手段４０によって水底Ｂに係止されている。係止手段４０は、複数の係留索４１から成る。係留索４１は、上端が水圧伸縮手段２０の下面に接続され、下端が水底Ｂに接続されている。
波の波長が長く波高が高くなると、水面Ａから水圧伸縮手段２０までの深さが深くなるため水圧伸縮手段２０にかかる水圧が大きくなり、水圧伸縮手段２０は伸縮部２３が収縮して上部体２１と下部体２２との間隙Ｘが小さくなり全体が縮む。縮んだ水圧伸縮手段２０は浮力が小さくなるため、水圧伸縮手段２０の重力がさらに下方に働き、間隙Ｘが小さくなることと相俟って、水圧伸縮手段２０に連結された貯水手段１０が水中に引き込まれ、貯水手段１０が波とともに上昇する高さが抑制される。したがって、貯水手段１０を越える波が多くなり、利用手段５０の効率低下を防止できる。
このように、越波式波力利用装置１は、水圧伸縮手段２０が波の到来による水圧の変化によって縮み間隙Ｘを小さくすることと全体の浮力を小さくすることにより、貯水手段１０を水面Ａに対してより低い位置に臨ませることができるので、到来した波を貯水手段１０により多く取り込むことができる。
なお、水圧伸縮手段２０は、その全部（全体）を可撓性の材料で構成してもよい。全部を可撓性の材料で構成した場合は、形状を球形とすることが好ましい。また、高分子材料を使用した場合は、耐久性の面から気体として窒素ガスやアルゴンガス等を封入することが好ましい。

図２は、貯水手段の一部透過概略構成図である。
貯水手段１０の上部には、傾斜板１２とガイド板１３が設けられている。
傾斜板１２は、貯水手段１０の側面側（波の到来方向側）が開口１１側よりも低くなるように、貯水手段１０の側面から開口１１にかけて斜めに設けられている。傾斜板１２が貯水手段１０の上面全周にわたって設けられていることにより、貯水手段１０の上面は円錐状になっている。傾斜板１２を貯水手段１０の上面全周にわたって設けることにより、どの方向から波が到来しても取り込むことが可能となり、波のエネルギーの利用効率を向上することができる。
ガイド板１３は、所定の高さを有し、傾斜板１２の周方向を仕切るように傾斜板１２上に所定間隔で複数設けられている。
傾斜板１２を設けることにより、到来した波が貯水手段１０の上部に乗り上がりやすくなる。また、ガイド板１３を設けることにより、貯水手段１０の上部に乗り上がった波が開口１１に導かれやすくなる。したがって、より多くの波を開口１１から取り込むことができる。

貯水手段１０の内部の下部には、放流管１４が設けられている。開口１１から取り込まれた水は、落差により放流管１４から水中に放流される。
放流管１４には、タービン５１が配置されている。タービン５１には発電機（利用手段）５０が接続されている。発電機５０は、放流管１４から放流される水のエネルギーでタービン５１を回転させることによって発電を行う。

図３は、本発明の他の実施形態による越波式波力利用装置の貯水手段と水圧伸縮手段との連結状態の例を示す概念図である。なお、上記した実施形態と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
図３（ａ）は、連結手段３０が連結索３１であり、貯水手段１０と水圧伸縮手段２０が単数又は複数の連結索３１で連結されている例である。このように連結した場合は、水圧伸縮手段２０を貯水手段１０から所定距離下方に配置することができる。この例の場合、貯水手段１０が全体として水に対して浮力を有し、水圧伸縮手段２０が浮力を相殺して下方に重力のかかる設定とすることができる。また、連結手段３０を剛体で構成することにより、貯水手段１０と水圧伸縮手段２０の全体が浮力を有する構成とし、波が高く波長が長くなったときに水圧伸縮手段２０の浮力が小さくなり、貯水手段１０を、水圧伸縮手段２０を含めて水中に引き込む構成とすることができる。連結手段３０を剛体で構成した場合、水中に引き込む効果を大きくするために、水圧伸縮手段２０の浮力分を大きくすることが好ましく、貯水手段１０が水より全体の比重が大で浮力を水圧伸縮手段２０の浮力に負わせることもできる。
図３（ｂ）は、連結手段３０が取付手段３２であり、貯水手段１０と水圧伸縮手段２０が取付手段３２で直接連結されている例である。貯水手段１０の下面と水圧伸縮手段２０の上面は接触している。このように連結した場合は、水圧伸縮手段２０をより水面Ａ近くに配置することができる。この場合、貯水手段１０と水圧伸縮手段２０の浮力や重力の関係は、上記した図３（ａ）の連結手段３０を剛体で構成した場合と同様になる。
なお、図３（ａ）、（ｂ）とも貯水手段１０や水圧伸縮手段２０の漂流を防止する係止手段４０の図示を省いているが、通常の係留索４１等から成る係止手段４０が利用可能である。

図４は、本発明のさらに他の実施形態による越波式波力利用装置１と水底Ｂとの係止状態の例を示す概念図である。なお、上記した実施形態と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。図４において、貯水手段１０と水圧伸縮手段２０とは連結索３１で連結されている。
図４（ａ）は、係止手段４０が係留索４１であり、水中に設置された水圧伸縮手段２０に複数の係留索４１の上端が接続して係留されている例である。この例の場合は、図１に示す実施形態のように、貯水手段１０と水圧伸縮手段２０の浮力と重力の関係は、貯水手段１０を全体として水に対して浮力を有するように構成し、水圧伸縮手段２０を波が低く水圧の低い状態でも、浮力よりも重力が勝った構成とする必要がある。
図４（ｂ）は、係止手段４０が係留索４１であり、水圧伸縮手段２０が水中に設置され、貯水手段１０に複数の係留索４１の上端が接続して係留されている例である。この例の場合も、図１に示す実施形態のように、貯水手段１０と水圧伸縮手段２０の浮力と重力の関係は、貯水手段１０を全体として水に対して浮力を有するように構成し、水圧伸縮手段２０を波が低く水圧の低い状態でも、浮力よりも重力が勝った構成とする必要がある。
但し、この例の場合は、図１や図４（ａ）に示す実施形態のように、水圧伸縮手段２０が縮むことによる寸法面での貯水手段１０を水中に引き込む効果は期待できない。しかし、貯水手段１０に係留索４１や連結索３１が係止されるところ、係止部の点検やメンテナンスが容易となる。
図４（ｃ）は、係止手段４０が固定手段４２であり、水圧伸縮手段２０が水底Ｂに設置され、固定手段４２で係止されている例である。この例の場合は、貯水手段１０を全体として水に対して浮力を有するように構成する必要があるが、水圧伸縮手段２０を全体として水に対して浮力を有する構成とするか、浮力よりも重力が勝った構成とするかは問われない。また、水圧伸縮手段２０が縮むことによる浮力による水中に引き込む効果は期待できなく、寸法面での効果のみとなる。
図４（ａ）から図４（ｃ）のいずれの係留状態の場合でも、波の波長が長く波高が高くなったときは、水面Ａから水圧伸縮手段２０までの深さが深くなるため水圧伸縮手段２０にかかる水圧が大きくなる。そして、図４（ａ）及び図４（ｂ）の係留状態の場合は、水中に浮遊する水圧伸縮手段２０が縮んで水圧伸縮手段２０の浮力が小さくなることによって、図４（ｃ）の係留状態の場合は、水底Ｂに固定された水圧伸縮手段２０が縮むことによって、水圧伸縮手段２０に連結された貯水手段１０が水中に引き込まれ、貯水手段１０が波とともに上昇する高さが抑制されて、貯水手段１０を越える波が多くなり、利用手段５０の効率低下を防止できる。

同５は、本発明の一実施形態による越波式波力利用装置を用いた越波式波力利用施設の概略構成図である。
越波式波力利用施設２は、越波式波力利用装置１を、海岸Ｃに沿った方向αに複数備えるとともに、波の到来方向βに複数備えている。海岸Ｃの近くでは、波の到来方向は統計的に、海岸線に略直角になることが多いため、波の到来方向βはこれを考慮して設定できる。
また、海岸Ｃの近くは海底が浅いため波が高くなりやすい。よって、海岸Ｃの波の到来箇所に越波式波力利用施設２を設置することで、多くの波を貯水手段１０に取り込むことができる。
また、海岸Ｃに沿った方向αに複数の越波式波力利用装置１を設置することで、越波式波力利用装置１を一つ設置する場合よりも多くの波を貯水手段１０に取り込むことができる。また、波の到来方向βに複数の越波式波力利用装置１を設置することで、最初に波が到来する貯水手段１０で取り込めなかった波を、より海岸Ｃに近くに設置された貯水手段１０で取り込むことができる。
また、越波式波力利用装置１として貯水手段１０を波の到来方向βに複数個備えた構成によっても、最初に波が到来する貯水手段１０で取り込めなかった波を、より海岸Ｃに近い側の貯水手段１０で取り込むことができる。この際、図２に示すように傾斜板１２を貯水手段１０の上面全周にわたって設け、どの方向から波が到来しても取り込むことが可能となるように構成することにより、波の到来方向を考慮せずに設置することが可能となる。
なお、複数の越波式波力利用装置１の発電機（利用手段）５０で発電した電力を、海岸Ｃの設置場所において、一つ又は少数の系統にまとめて陸上に伝送してもよい。この際、越波式波力利用施設２として発電した電力の交直流変換、周波数変換、昇圧・降圧等の変電設備は統一して設けることが可能である。

本発明の越波式波力利用装置及び越波式波力利用施設は、海洋等において、波力エネルギーをより効率よく利用できる。また、離島や災害時における電力供給装置としても活用できる。

１ 越波式波力利用装置
２ 越波式波力利用施設
１０ 貯水手段
１１ 開口
１２ 傾斜板
１４ 放流管
２０ 水圧伸縮手段
３０ 連結手段
３１ 連結索
４０ 係止手段
４１ 係留索
４２ 固定手段
５０ 利用手段（発電機）
Ｃ 海岸
β 波の到来方向

Claims (10)

1. 波を取り込む水面に浮遊して臨んだ貯水手段と、前記貯水手段の上部に設けた前記波を取り込む開口と、前記貯水手段の上面全体にわたって前記開口から外方向に傾斜させて設けた傾斜板と、水中に設けられ水圧により伸縮する水圧伸縮手段と、前記貯水手段と前記水圧伸縮手段を連結する連結手段と、前記貯水手段又は前記水圧伸縮手段を水底に係止する係止手段と、前記貯水手段に貯えた水を利用する利用手段とを備え、前記水圧伸縮手段が前記波の到来による前記水圧の変化により縮み、前記連結手段を介して前記貯水手段を前記水面に対してより低い位置に臨ませ、全方向から到来した前記波を前記傾斜板から前記開口を介して、より多く前記貯水手段に取り込むことを特徴とする越波式波力利用装置。
2. 前記貯水手段は、その下部に貯えた水を放流する放流管を有していることを特徴とする請求項１に記載の越波式波力利用装置。
3. 前記貯水手段の上面に乗り上がった前記波を前記開口に導くガイド板を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の越波式波力利用装置。
4. 前記利用手段は、前記放流管に臨ませたタービンを回転させて発電を行う発電機であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の越波式波力利用装置。
5. 前記貯水手段が所定の浮力を有し、前記連結手段として設けた連結索により前記貯水手段が前記水圧伸縮手段に連結されていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちの１項に記載の越波式波力利用装置。
6. 前記水圧伸縮手段の一部もしくは全部が内部に気体を封入した可撓性の材料で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のうちの１項に記載の越波式波力利用装置。
7. 前記係止手段は、前記水圧伸縮手段を前記水底に係留する係留索、もしくは直接固定する固定手段であることを特徴とする請求項１から請求項６のうちの１項に記載の越波式波力利用装置。
8. 請求項１から請求項７のうちの１項に記載の越波式波力利用装置を、海岸の前記波の到来箇所に備えたことを特徴とする越波式波力利用施設。
9. 前記越波式波力利用装置を前記海岸に沿って複数機備えたことを特徴とする請求項８に記載の越波式波力利用施設。
10. 前記越波式波力利用装置の前記貯水手段を前記波の到来方向に複数個備えたことを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の越波式波力利用施設。