JPH0151673B2

JPH0151673B2 -

Info

Publication number: JPH0151673B2
Application number: JP53083488A
Authority: JP
Inventors: Uiriamu Muudei Jooji; Rinrii Uiruson Jon; Hyuu Sorutaa Suchiibun
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1977-07-08
Filing date: 1978-07-07
Publication date: 1989-11-06
Also published as: NL7815018A; AU3778378A; DE2857156A1; IE781371L; EP0000441A1; JPS5419035A; GB1601467A; FR2444170A1; US4198821A; IE47550B1

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、波からエネルギを取出す装置に係る
ものである。

波から取出したエネルギを使つて電気を発生す
る装置の一例が、マスダ・ヨシオの英国特許第
1014196号「ブイ装置」に開示されており、この
特許によれば、１つの室の中における水柱の振動
によつて空気を駆動し、空気タービンを駆動する
ようにしている。

防波堤は波から防波堤を取出す装置の別の例で
あるが、波とは反対の側に静穏な領域を得ること
が目的である。

本発明の目的は、波からエネルギを取出す装置
の効率、すなわち波のエネルギを外部で利用でき
る動力に変換する効率の実質的な改善を達成する
ことにある。

この目的を達成する本発明の液体の波からエネ
ルギを抽出する装置は、液体の波の運動に応答し
て液体を流入、流出させる開口を設けた包囲体、
及びこの包囲体内で振動する液体のエネルギの少
なくともある部分を使用又は消散するよう配置し
た手段を備え、包囲体の前面から背面へ液体を横
断する水平距離は包囲体内の液体の固有振動数に
対応する液体の波長の約10分の１であり、そして
包囲体の前面の開口の頂部から背面の底のレベル
に至る垂直距離である深さは上記の水平距離Ｌよ
りも小さくはなく、水平距離の２倍より大きくは
ないことを特徴としている。

又、別の本発明の液体の波からエネルギを抽出
する装置は、前記の包囲体が横の底板を有し、横
方向の開口の上記の横の底板までの平均液位の下
からの深さは、開口の前面から背面へ包囲体内の
液を横切る水平距離に実質的に等しく、この水平
距離は包囲体内の液の振動の固有周波数に対応す
る液体の波長の約10分の１であることを特徴とし
ている。

到来する波の振動方向に揃う垂直面内での包囲
体の水中の形状が対称であつて部分的に浸漬され
ている静止装置の理論的最大力吸収は、到来する
波のエネルギの約50％であり、残りの波エネルギ
は反射波と伝送波とに等分に分布して失なわれ
る。水中形状が非対称であると、到来する波から
エネルギを取出す際に装置自体が発生する波は一
方向性となり到来波の方に向くので、装置のエネ
ルギ吸収効率が増加する。これは、強制振動中
に、ある一方向に選択的に波を発生し、輻射する
装置は同じ方向からのその周波数を選択的に吸収
するからであり、従つて理論的には理想化された
状態ではエネルギ損失の因である反射波及び伝送
波は生じ得ない。しかし実際にはこの状態を実現
することは困難であるが、本発明による装置では
室の非対称性を合理的に設計することにより50％
以上のエネルギ取出効率を得ることができる。

前面の垂下部分と背面の垂下部分とが同じ長さ
の対称形に比して前面の垂下部分が背面の垂下部
分よりも短かい非対称形の方が、既に述べたよう
に、エネルギの取出し効率の向上に効果がある。
先ず対称形状の場合は水中にそれ程深く沈めるこ
とはできず、そのため波のエネルギは包囲体内の
水柱と十分に結合することはできない。次に、包
囲体にぶつかる波からのエネルギは一部伝送され
（通過し）、一部反射され、そして吸収される。
又、包囲体内の振動水柱の動きが波を発生し、こ
の発生した波は周囲の水に戻され、前記の伝送さ
れる波と反射される波と結合する。前記の吸収さ
れる波のエネルギ（この波のエネルギから有用な
仕事を引出せる）は、到来波のエネルギから前記
の伝送される波と反射される波と水柱の動きが発
生した波とを差引いた残りの大きさである。

これを非対称形の包囲体についてみると、背壁
は水中深く入り込んでいるので到来波のうち伝送
される部分は極めて僅かである。包囲体内の水柱
の動きが波を発生するが、深く入り込んでいる背
壁は伝送方向に波の発生を阻止する。そのため発
生した波は波の到来方向にだけ進み、前壁からの
反射波と結合する。対称形の場合に比して伝送さ
れる部分は減少され、エネルギとして取出せる吸
収部分は大きくなる。

さて、室内の水柱が到来波と共振又はそれに近
い状態にあると水柱の振動により発生し、そして
周囲へ戻される波は前壁からの反射波と逆相にな
つて相殺し合い、こうなるとその波のエネルギは
周囲へ戻されることなく振動水柱に吸収され、有
用なエネルギとして取出される。

以上から最も効率よく波からエネルギを取出す
には非対称形の包囲体を採用してこれを深く沈
め、包囲体自体は不動として、水柱の振動をその
包囲体の設置場処の波と共振させ、発生された波
の振巾を反射波の波の振巾に近づけるようにすれ
ばよいということになる。本発明に従つて、非対
称形の包囲体を設計することにより50％以上の効
率でエネルギを取出すことができる。

以下に添付図面を参照して本発明の実施例を説
明する。添付図面では同じ部品に対しては同じ番
号を付してある。

第１図に示す装置は、装置を波１３（例えば海
水）中に保持するための前部浮力槽１０及び後部
浮力槽１１を有しており、前部浮力槽１０は後部
浮力槽１１よりも浅く液１３内に浸されている。
これらの浮力槽１０，１１は、それらの間に存在
する室１４の前壁及び背壁をなしている。矢印Ｂ
の方向から到来する波の運動によつて室１４内で
波１３の柱が矢印で示すように振動する。室１４
は逆止弁１７を有する空気出口１６と逆止弁１９
を有する空気入口１８を備える屋根１５を有して
いる。空気入口１８の他端は後壁２０に接続され
ており、覆い２１によつて飛沫から保護されてい
る。

後壁２０とカバー２５とは、後部浮力槽１１と
屋根１５との間に空気用ダクト２６を形成してお
り、ダクト２６は隣接する複数の室１４から放出
される空気を相互接続する。

カバー２５内にオリフイス２７はダクト２６か
らの空気を空気タービン２８に向つて流し、ター
ビン２８は発電機２９を駆動する。

第１ａ図に示すように、側壁２４ａを有する複
数の室がダクトによつて並列に接続されており、
１台の空気タービン２８を駆動する（第１ａ図で
は解り易くするために第１図の発電機２９は示し
てない）。第１ｂ図に示すように、装置はケーブ
ル２２の形の繋留手段によつて保持される。各ケ
ーブル２２の一端は装置の巻取りギヤー２３（２
個しか示してない）に取付けられ、他端は海底の
錨２４に取付けられていて装置が動かないように
している。装置に過大な浮力を与えるような構造
とし、巻取りギヤー２３を用いてケーブル２２を
張つて装置を液１３中の自然浮揚レベルよりも下
方に引張り必要な平均浸漬深さを得るようにする
と、ケーブル２２は絶えず緊張することになる。
このようなケーブル２２は英国イングランド・ド
ンカスターのブリテイツシユ・ロープス・リミテ
ツドから求めることができる。

動作の際、到来する波によつて室１４内の液が
振動し、空気が入口１８から室１４内へ押込ま
れ、出口１６を通して室１４からダクト２６に押
出されることによつてエネルギが取出される。ダ
クト２６内の空気の圧力は後部浮力槽１１の後部
の液面を押下げるので空気に作用する力が回復さ
れ、ダクト２６内の空気圧が均一に保たれるよう
になる。ダクト２６からの空気はオリフイス２７
を通して逃げ、空気タービン２８を駆動し、空気
タービン２８が発電機２９を駆動する。包囲体の
形状が非対称であるために、波から取出されるエ
ネルギは包囲体の形状が対称の装置によつて取出
されるエネルギよりも大きい。

第２図に示す別の非対称形の実施例では、室１
４の底が底板３０によつて閉じられているが、底
板３０は浮力槽１０の下に室１４のための前面入
口開口３１を形成している。第２図に示す装置の
その他は第１図、第１ａ図に示すものと同一であ
り、包囲体の形状が非対称であるために包囲体の
形状が対称の装置に比してエネルギ吸収効率が増
大する。

第２図の装置は、第１ｂ図に示してあるのと同
様の繋留手段（図示せず）によつて保持すること
ができる。

潮汐運動が比較的限定されている場所において
は、第１図、第１ａ図、第１ｂ図及び第２図に示
す浮揚性装置の変形として、第３図に示すような
非浮揚装置を使用することができる。

第３図の装置は殆んどの面において第２図の装
置と類似しているが、非浮揚性構造であるために
浮力槽を使用していない。この装置には中実の前
壁４０、中実の後部仕切り４１、及び中実の底部
４３が設けてあり、これらによつて第２図のもの
と同じような室１４に形成されている。逆止弁４
９を有する空気入口４８が、室４１から後部仕切
り４１、ダクト２６内を伸びているボス５０、及
び後壁２０を通つて伸びており、後壁２０のとこ
ろで覆い５１によつて保護されている。第３ａ図
にボス５０の部分断面を示してある。

底部４３は室１４への前方入口開口３１のとこ
ろが丸められた角５２となつており、液１３の中
に部分的に沈められた深さを保つように海底のよ
うな液面下の表面５３上に置かれている。第３図
の装置は、他の面においては全て第２図の装置と
本質的に同一であり、同じようにして液１３の波
からエネルギを抽出する。

液面下の表面５３上の所要位置に第３図の装置
を保持しておくためにケーブル（図示せず）を使
用したり、また錘り（図示せず）を設けて装置の
慣性を増加させたりしてもよいことを理解された
い。

比較的限定された潮汐運動を行なう場所におい
ては、第４図に示すように本発明を防壁の一部と
して採用することも可能である。

第４図に示す鉄筋コンクリート構造の海岸線の
護岸５９は、海水１３の波からエネルギを抽出す
る第３図の装置と本質的に同一の装置が得られる
ような形状である。即ち、第４図の装置は前壁６
０、後壁６１、及び底部６３を有しており、第２
図及び第３図のものと同じ前面入口開口３１を有
する室１４が作られている。

逆止弁６６を有する空気入口６５は室１４から
装置の頂部まで伸びていて、そこで覆い６７によ
つて飛沫から保護されている。室１４からの空気
は、第１図乃至第３図を参照して説明したように
して出口１６及び逆止弁１７を通つてダクト２６
内に入る。ダクト２６は加圧されていないが、加
圧されるようにすることができる。その他の面に
おいては第４図の装置は本質的に第２図及び第３
図の装置と同一であり、同じようにして到来する
波からエネルギを抽出する。

第４図の装置は、入射波に対して相当に長くす
ることができ、第５図に示すように複数の室１４
に区切ることができる。第５図には３室１４ａ，
１４ｂ，１４ｃで１組になつている複数組の室１
４が示され、各組の室１４は装置の長さ方向に伸
びる共通のダクト２６によつて単一のオリフイス
２７及び空気タービン２８に接続されている（第
４図の発電機２９は省略してある）。室１４ａと
１４ｂ、及び１４ｂと１４ｃはダクト２６の下の
側壁７０によつて分離されているが、室１４ｃと
１４ａはダクト２６内まで伸びている側壁７１に
よつて分離されていて１組の室１４ａ，１４ｂ，
１４ｃ内の空気流を別の組の空気流から分離して
いる。必要ならば同じような室１４の組を第１図
乃至第３図の装置と組合せて使用してもよく、１
組の室１４を３室以上、或は２室としてもよいこ
とを理解されたい。

第６図は第１図と同様の、そして第７図は第２
図と同様の装置の必須部分を到来する波と一致す
る垂直面内で示すもので、最高の動力吸収率を得
る寸法を確立するための説明図である。図におい
て、Ｌは前部浮力槽１０と後部浮力槽１１との間の
室１４の距離、ｘは前部浮力槽１０の底部の巾（最大巾）、ｙは前部浮力槽１０の底部と平均海面との間の
距離、Ｓは前部浮力槽１０の底部と後部浮力槽１１の
底部との間の垂直距離、そしてＷは後部浮力槽１１の底部の巾であり、到来する波の振動数f₀とし、最高の動力
吸収効率を得るための条件は、Ｌ≦Ｓ≦2L 0.25L≦ｙ≦0.5L 0.5y≦ｘ≦ｙＬ≦Ｗ≦3L である。

こゝで、上式の導出過程を説明する。

一般に共振系の共振振動数は次式により与えら
れる。

（ここで、Ｋは系のスチフネスであり、Ｍは系の
慣性であり、特別な水の振動柱の場合この慣性は
動く水柱の質量に等しい。）水柱スチフネスはＫ＝ρgLである。第１図の非
対称形についてその水柱の慣性Ｍは第８図のハツ
チングした区域から算出する。第８図については
Ｍ＝ρyL＋ρπL²／４となり、これを上の共振振動数の一般式に代入すると最高の動力吸収効率を得る
ための上の理論式が得られる。

第２図と同様の装置の必須の構成部分の波の振
動方向と一致する垂直面内の断面を第７図に示
す。第７図において、Ｌは前部浮力槽１０と後部浮力槽１１との間の
室１４の距離、ｘは前部浮力槽１０の底部の巾であり、最大で
もある巾、ｙは前部浮力槽１０の底部と平均海面との間の
距離、そしてＳは前面入口の開口３１の高さであり、到来する波の振動数f₀とし、最高の力吸
収効率を得るための条件は、Ｌ＝0.1f₀（ここでλ₀＝ｇ／2πf₀ ²これは室１４内の水柱の固有振動数f₀に対応する到来波の
波長）Ｓ＝0.67L ｙ＝0.4L ｘ＝0.25L 概略値である（この関係からＳ＋ｙ＝Ｌ（概略値）とな
る）。こゝでf₀の式の導出過程を説明する。第２
図の非対称形についてその水柱の慣性Ｍは第９図
のハツチングした区域から算出する。

第９図についてはＭ＝ρL（ｙ＋Ｓ）＋ρπS²／４と
なり、これを上の共振振動数の一般式に代入する最
高の動力吸収効率を得るための上の理論式が得ら
れる。

これらの理論式はどのような諸元もしくはフア
クターが水柱の共振振動数とどのように関連して
いるかを理解するのに役立つものであるが、これ
らの理論式から出発して動力の最大変換効率を得
るためのＬ、Ｓそしてｙについての関係を直接理
論的に決定することはできない。動力の最大変換
効率を得るためのＬ、Ｓそしてｙ（これらはすべ
て独立変数）の最適相対値の決定は実験と実際の
設備とを考慮して次のようにして決めたのであ
る。

イ）先ず海岸を選択すると、その海岸の波の記
録から最も典型的な波長λ₀を選択する。波動エ
ネルギー変換器がその海岸に「適合」する最も
基本的なフアクタとしてこの波長λ₀を選択す
る。換言すれば、波長λ₀の波の振動数と同じ共
振振動数をその波動エネルギー変換器がその海
岸に「適合」するには持たなければならないの
である。

ロ）最も深い波の波くぼ（２つの波の間のくぼ
み）が前壁の底を空気に露出することがないよ
うにｙの大きさを決める。しかし、波動エネル
ギー変換器の壁内に閉じ込められた振動水柱に
到来波からのエネルギーをできるだけ効率よく
結合するようｙを小さくしなければならない。

ハ）第８図と第９図とは、封じ込められた振動
水柱の共振動作が周囲の海水によつて影響を受
ける程度をかなりよく近似している。これは実
験と理論とを組み合わせてつくられたものであ
る。

ニ）第２，７図のタイプの底つき装置について
は、底板３０は平均水位の下約0.1λ₀の深さ
（Ｓ＋ｙ）の処になければならないと云うこと
は、上記のイ、ロ、ハと実験的試験を考慮して
出てきた条件である。理論式が決定した関係か
ら、Ｌは約0.1λ₀とすべきであるという結論に
到達した。ｙは(ロ)から出てくる。

ホ）第１，６図のタイプの底なし装置について
も同様な考察と実験をすると、共振はＳによつ
てそれほど大きく影響されないことがわかる。
水柱の振動から背壁の他側の海水へエネルギー
を伝達しないように背壁を深く挿入するという
意味で(ハ)によりＳを決める。換言すれば、水柱
から背壁の他側の海水へエネルギーが伝達しな
いような大きさにＳを決めなければならないの
である。ここでもｙは(ロ)から決まる。

本発明の諸元は理論と実験との両方を組み合わ
せて引き出されてきたのであり、それらの相対的
比率がおおよそであるのは、典型的波長λ₀がおお
よそであり、そして性能に影響を与えずに諸元の
あるものを変えることができるということによる
のである。

本発明でこのようにして決定した諸元により設
計した底なしの非対称形装置（第１１図）の効
果、すなわち動力変換効率の改善を第１０図のグ
ラフに示す。このグラフのモデルでは共振波長は
約0.8メートルであり、Ｌは波長のほゞ10の１の
0.1メートルに選定されている。一番低い効率の
曲線はA₂＝A₁、すなわち対称形状のものについ
てであり、A₂（ｙ＋Ｓに相当）が0.145から0.246
メートルの範囲にあると、共振状態で70％程度の
効率が得られることを示している。底付の非対称
形の装置（第２図）の効果についてはコンピユー
タモデリングプログラムを使用して模型を評価し
て確認した。これを第１１図に示す。コンピユー
タモデルアセスメントの図形表示はグラフ中央に
示されている（図形表示の数字はセンチメートル
を単位）。実線はコンピユータが予測した効率で
あり、破線は実験で確認された効率である。グラ
フは波の振動数のかなり広い範囲にわたり効率が
75パーセントを越えることを示している。波長
1.3メートルの10分の１、すなわち13センチメー
トルが（ｙ＋Ｓ）となつている。この模型では
（ｙ＋Ｓ）＝Ｌの関係からＬは12センチメートルと
なつているが、Ｌは多少変えることはできる。

第１図ないし第５図の装置には、室１４内の液
１３の共振振動数を変えて、到来する波がある範
囲内でその振動数が変化しても最高のエネルギ吸
収効率を得るように最適化手段（英国特許出願
19199／77参照）を設けてもよい。

本発明に従つて他の非対称液中形状を使用でき
る。

第１，２そして３図に示す装置は、液の化学的
特性及び使用に際して装置が受ける力を考慮し
て、当業者が通常使用している材料（例えば金属
或は鉄筋コンクリート）で作ることができる。

いくつかの室を有し各室内の水柱の振動を利用
して空気を共通ダクト内へ放出する装置について
本発明を説明したが、少なくとも１つの室を有し
この室から空気を直接空気タービンに放出するよ
うな装置にも適用できる。

また本発明は、空気を空気タービンに向かわせ
る前に隣接する室から放出される空気の流れを調
整する別の手段を有する装置にも、また室内の水
柱の振動から機械力を取出す別の手段を有する装
置にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は波の力から電気エネルギを発生する非
対称形状の浮揚性装置の断面略図であり、第１ａ
図は第１図の矢印Ａ方向に見た図であり、第１ｂ
図は第１ａ図の矢印Ｃ方向に見た図であり、第２
図は第１図の装置に似ている別の非対称液中形状
を有する装置の概要を示す断面図であり、第３図
は第２図の装置に似ている非浮揚性構造の装置の
概要を示す断面図であり、第３ａ図は第３図の
ａ−ａ矢視拡大部分断面図であり、第４図は第
２図及び第３図に示す装置に類似しているが海岸
防壁に適用した装置の概要を示す断面図であり、
第５図は第４図の矢印Ｘに見た部分図であり、第
６図は第１図の装置に類似の装置の部分のモデル
であり、第７図は第２図の装置に類似の装置の部
分のモデルであり、そして第８図と第９図は水柱
の慣性を算出するためのモデルである。第１０図
は底なしの非対称形装置の振動数ｆ（波長λ）に
対する動力変換効率ηの変化を示すグラフであ
る。第１１図は底付の非対称形装置の振動数ｆ
（波長λ）に対する動力変換効率を示すグラフで
ある。１０…前部浮力槽、１１…後部浮力槽、１３…
液、１４…室、１５…屋根、１６…空気出口、１
７，１９，４９，６６…逆止め弁、１８，４８，
６５…空気入口、２０…後壁、２１，５１，６７
…覆い、２２…ケーブル、２３…巻取りギヤー、
２４…錨、２５…カバー、２６…ダクト、２７…
オリフイス、２８…空気タービン、２９…発電
機、３０…底板、３１…前面入口孔、４０，６０
…前壁、４１…後部仕切り、４３，６３…底部、
５０…ボス、５３…海底面。

Claims

【特許請求の範囲】１液体の波の運動に応答して液体を流入、流出
させる開口を設けた包囲体、及びこの包囲体内で
振動する液体のエネルギの少なくともある部分を
使用又は消散するよう配置した手段を備えてい
る、液体の波からエネルギを抽出する装置におい
て、包囲体の前面から背面へ液体を横断する水平距
離Ｌは包囲体内の液体の固有振動数に対応する液
体の波長の約10分の１であり、そして包囲体の前
面の開口の頂部から背面の底のレベルに至る垂直
距離である深さＳは上記の水平距離Ｌよりも小さ
くはなく、水平距離Ｌの２倍より大きくはないこ
とを特徴とする液体の波からエネルギを抽出する
装置。２液体の波の運動に応答して液体を流入、流出
させる開口を設けた包囲体、及びこの包囲体で振
動する液体のエネルギの少なくともある部分を使
用又は消散するよう配置した手段を備えている、
液体の波からエネルギを抽出する装置において、前記の包囲体は横の底板を有し、横方向の開口
の上記の横の底板までの平均液位の下からの深さ
（ｙ＋Ｓ）は、開口の前面から背面へ包囲体内の
液を横切る水平距離Ｌに実質的に等しく、この水
平距離Ｌは包囲体内の液の振動の固有周波数に対
応する液体の波長の約10分の１であることを特徴
とする液体のエネルギを抽出する装置。３深さｙ＋Ｓに対する開口の垂直距離Ｓの比が
約0.7である特許請求の範囲２に記載の装置。４包囲体の前部から後部への包囲体内の液体の
水平距離Ｌが包囲体内の液体の固有振動数に対応
する波長の約10分の１である特許請求の範囲２又
は３に記載の装置。５包囲体が水底に固定されている特許請求の範
囲２乃至４のいずれかに記載の装置。