JPH0441256Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は波浪エネルギを電力エネルギに変換す
る空気タービン方式の波力発電装置に関するもの
である。

（従来の技術） 空気タービン方式の波力発電装置としては第５
図に示すように、装置本体１はその下端を水中に
解放して空気室２を形成し、この空気室２の上部
に発電室３が形成されている。この発電室３の中
には入口を下側に向けたタービンノズル１１、一
段衝動タービン翼１２、翼車１５により構成され
たタービン１６に発電機１３の垂直軸を直結した
状態で配設されている。そして、タービン１６は
ケーシング１４により被われている。また、発電
室３内はタービン１６を囲うようにして仕切られ
た状態で、空気室２に連通する複数の空気流路４
と複数の大気側空気流路８が形成され、大気側空
気流路８は大気開放口７により大気中に開放さ
れ、内部はタービン入口室３ａとタービン出口室
３ｂとに分割されている。

そして、複数の空気流路４のそれぞれにはター
ビン入口室３ａ側にのみ開く弁５とタービン出口
室３ｂに連通するように空気流路４側のみに開く
弁６が設けられ、一方複数の大気側空気流路８の
それぞれにはタービン入口室３ａ側にのみ開く弁
９とタービン出口室３ｂに連通するように大気側
空気流路８側にのみ開く弁１０が設けられてい
る。

この波力電圧装置において、波の動きにより空
気室２の容積が変化すると、その変化にしたがつ
て空気室２内の空気が空気流路４側へ流れたり、
また大気開放口７から外気を吸入したりする。

すなわち、空気室２内の水面が上昇して空気室
２の容積が小さくなり空気室２内の圧力が上昇す
ると、空気室２内の空気は空気流路４内に流入し
空気流路４内の圧力が上昇する。

これにより弁６はこの圧力により押されて閉弁
し逆に弁５は開弁して空気はタービン入口室３ａ
内に流入する。そしてこの空気の流入により弁９
は押されて閉弁しタービン入口室３ａ内の圧力が
上昇し、空気はタービンノズル１１からタービン
１６内に流入してタービン翼１２を回転し仕事を
した後にタービン出口室３ｂ内に流出する。

これにより、タービン出口室３ｂ内の圧力が上
昇するが、仕事を終えた空気の圧力は低下してい
るので閉弁している弁６は空流路４内の高い圧力
によりその閉弁状態を維持し弁１０のみが開弁さ
れ空気は大気側空気流路８を流れて大気中に放出
される。この時に弁９はタービン入口室３ａ内の
高い空気圧力により閉弁状態が維持されている。

次に、空気室２内の水位が下がつて空気室２内
が負圧になつたときには空気流路４内も負圧にな
るので弁５が閉弁し弁６が開弁する。これにより
タービン出口室３ｂ，タービン入口室３ａが負圧
になつて弁１０が閉弁し弁９が開弁して大気開放
口７から大気がタービン入口室３ａに吸入され、
吸入された大気はタービンノズル１１からタービ
ン１６内に流入してタービン翼１２を回転し仕事
をした後にタービン出口室３ｂ内に流出し、開弁
してる弁６を通つて空気流路４から空気室２内に
流入する。

（考案が解決しようとする課題） このように従来の空気タービン式波力発電装置
は不規則に変化する空気室２内の水位の変化によ
り空気室２内の圧力が正圧と負圧に交互に変化し
て発生するエネルギに追従して各弁を開閉するこ
とによりこの正負のエネルギをタービンノズル入
口において一方向流に変換し、波浪エネルギを電
気エネルギに変換することが実現されているがな
お改良すべき問題がある。

すなわち、不規則に変化する空気室２内の水位
の変化により空気室２内に発生するエネルギは正
逆的な空気エネルギであるので、このエネルギは
ほぼ正弦的な特性を示す。そこでこのエネルギを
使用してタービン翼１２を回転し発電機を回転さ
せた場合に、上記エネルギの特性からタービン入
口における空気の流速がゼロから最大流入速度
C₁MAXまで連続的に変化することになり、これ
に応じてタービン翼１２の回転も変化する。

したがつて、この波力発電に使用されるタービ
ンは通常の正常流タービンとは異なり、タービン
の運転時において空気エネルギが作用してこの空
気エネルギによりタービンが回転している時間
と、この空気エネルギが作用しないで慣性力によ
り空転している時間が必ず存在するので、通常の
定常流タービンのように空気エネルギによりター
ビンが回転されている時のタービン効率のみを向
上しても波力発電用タービンの効率を上げること
ができず、タービンの効率を向上させるためには
このいずれの時間帯においてもその損失を最小限
にしなければならないという空気タービン式波力
発電装置として固有の改良すべき問題がある。

考案者はタービン効率に影響する従来のタービ
ンの諸元を明らかにしたところ、タービンの翼取
付角度γは95度であり翼取付ピツチｔと翼弦長
との比ｔ／が0.66であり、この条件での上記全
時間帯作動域におけるタービン効率ηは50％であ
ることを確認し、上記諸元について実験をした。

その結果本考案は適正な上記諸元を確認し従来
のものよりも更にタービン効率を向上した波力発
電装置を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 上記課題を解決するための本考案にかかる手段
は下端を水中に解放した空気室を形成し、この空
気室の上部に発電室を形成し、この発電室の中に
入口を下側に向けたタービンノズル、タービン
翼、翼車により構成されたタービンに発電機の垂
直軸を直結した状態で配設するとともに前記空気
室に連通する複数の空気流路と複数の大気側空気
流路を形成し、大気側空気流路を大気開放口によ
り大気中に解放し、前記発電室の内部をタービン
入口室とタービン出口室とに分割し、前記複数の
空気流路のそれぞれにタービン入口室側にのみ開
く弁とタービン出口室に連通し空気流路側のみに
開く弁が設けられ、一方前記複数の大気側空気流
路のそれぞれにタービン入口室側にのみ開く弁と
タービン出口室に連通し大気側空気流路側にのみ
開く弁を設けた波力発電装置において、前記ター
ビン翼の翼取付ピツチｔと翼弦長との比ｔ／
を0.9≦ｔ／≦1.5に、翼取付角度γを105度≦
γ≦125度に設定したことを特徴とするものであ
る。

（作用） 本考案はこのように構成したので次のとおりの
作用がある。すなわち、翼取付ピツチｔと翼弦長
との比を0.9以下にすると翼取付角度γを大き
くした場合に全時間帯作動域におけるタービン効
率ηが低下し、また翼取付ピツチｔと翼弦長と
の比ｔ／を1.5以上にすると同様に翼取付角度
γを大きくした場合に全時間帯作動域におけるタ
ービン効率ηが低下するので、翼取付角度γは
0.9＜ｔ／＜1.5の範囲が最適であり、一方翼取
付角度γは上記翼取付ピツチｔと翼弦長１との比
ｔ／の範囲において、105度を境にしてこれ以
下では従来の全時間帯作動域におけるタービン効
率ηよりも低くなり、一方その上限は125度にし
た場合に105度の時の全時間帯作動域におけるタ
ービン効率ηに略等しくなることおよび翼取付角
度γを更に大きくするとタービン効率ηが更に下
がる傾向にあることが実験により確認されている
ので、翼取付角度γの範囲は105≦γ≦125度であ
ることが最適である。

しかるに本考案はこの条件を満たす構成とした
ので、従来の波力発電装置の全時間帯作動域にお
けるタービン効率ηよりも向上させることが可能
になる。

（実施例） 以下本考案の実施例を説明する。先ず、第１図
ないし第３図により実験の諸元について説明す
る。この実験に供したタービンは第２図に示すよ
うに等角度間隔に16等分した翼車１５の外周に翼
１２を放射状に設けたものを使用した。第１図お
よび第２図において、翼１２の翼取付ピツチｔは
翼１２同志の間を通過する流体の平均流速となる
流体力学的ピツチ円（第２図のピツチ円Ａ）にお
ける流体出口部の寸法であり、翼取付角度γは図
１に示すように流体の入口から出口にかけての翼
１２の傾きであり、翼弦長は図１に示す翼１２
の流体入口から出口にかけての長さである。これ
らタービンの諸元である翼取付ピツチｔ、翼取付
角度γおよび翼弦長を変えて実験を行つた。

実験の結果を第４図に実施例として示す。第４
図は翼取付角度γと翼弦長を変え、これに対応
してその時のタービンの全時間帯作動域における
タービン効率ηを求め、縦軸にタービン効率η
（％）を横軸に翼取付ピツチｔと翼弦長との比
をとつて各翼取付角度γに対してプロツトし線図
として示したものである。

上記タービンの全時間帯作動域におけるタービ
ン効率ηは、翼取付ピツチｔと翼弦長との比が
空気エネルギによりタービンが回転している時の
効率に影響し、翼取付角度γが空気エネルギを伴
わないで慣性力によりタービンが回転している時
のタービン効率に影響することを要素として求め
られる。

第４図において、翼取付ピツチｔと翼弦長と
の比が略0.9以下の領域では翼取付角度γが105度
を境にして大きくなるほどタービン効率が減少す
る傾向にある。この傾向は空気エネルギを伴わな
いで慣性力によりタービンが回転している時間帯
のタービン効率が低くなり、結局のところ全時間
帯作動域におけるタービン効率ηが低下している
ものと想定される。

また、翼取付角度γが105度のときに全時間帯
作動域におけるタービン効率ηは翼取付ピツチｔ
と翼弦長との比にあまり影響されない。この傾
向は翼取付ピツチｔと翼弦長との比を大きくし
て空気エネルギによりタービンが回転している時
の効率を良くしても、空気エネルギを伴わないで
慣性力によりタービンが回転している時のタービ
ン効率が打ち消す方向に作用して全時間帯作動域
におけるタービン効率ηの向上を図ることができ
ないものと想定される。

また取付角度γが105度の時の全時間帯作動域
におけるタービン効率ηは翼取付ピツチｔと翼弦
長との比にはあまり影響されないのであるが、
この比を小さくするということは翼取付ピツチｔ
を小さくすることになるので、タービンの製作が
困難になり製作コストが高くなる。

そこで、タービンの製作コストと上記比が0.9
以下の領域では翼取付角度γが105度を境にして
大きくなるほどタービン効率ηが低下する傾向に
あることを考え合わせて、翼取付ピツチｔと翼弦
長との比を0.9以上（0.9を含む）にするのがよ
い。

次に、翼取付ピツチｔと翼弦長との比が0.9
以上の領域において、翼取付角度γが105度を境
にしてこれ以下では全時間帯作動域におけるター
ビン効率ηは低下する。この理由は空気エネルギ
を伴わないで慣性力によりタービンが回転してい
る時のタービン効率が低下し、これにより全時間
帯作動域におけるタービン効率ηが低下している
ものと想定される。

また、翼取付角度γを105度を境にして大きく
すると全時間帯作動域におけるタービン効率ηは
向上するが、翼取付ピツチｔと翼弦長との比が
1.5付近では翼取付角度γが105度の時の全時間帯
作動域におけるタービン効率ηに近付き、翼取付
ピツチｔと翼弦長との比が1.5以上になると翼
取付角度γが105度の時の全時間帯作動域におけ
るタービン効率ηよりも低くなる傾向を示す。

そして、第４図には示されていないが翼取付角
度γ＝125度および135度について実験したとこ
ろ、翼取付角度γ＝125度ではγ＝105度である時
の全時間帯作動域におけるタービン効率ηに近い
値を示し更に翼取付角度γを135度にした場合に
タービン効率ηが更に低下する傾向にあることが
確認された。

このことから、全時間帯作動域におけるタービ
ン効率ηの最大値は翼取付角度γ＝115度である
ことが確認された。

翼取付角度γが115度における全時間帯作動域
におけるタービン効率ηの最大値であるＡ点（略
60％）での各諸元の具体的数値を示せば次のとお
りである。翼は薄板型のものを使用し、静翼外径
200mm、静翼内径140mm、ノズル面積S_o0.00306m²、
動翼外径204mm、動翼内径140mm、動翼コード長
0.028ｍ、動翼スパンｈ（動翼外径−動翼内径）／
２＝0.032ｍ、動翼枚数z16、ノズル角度15度であ
り、この諸元から求められる翼取付ピツチｔは
33.379mm、翼取付ピツチｔと動翼コード長との
比は略1.2である。

第４図におけるＢ点（略50％）は翼取付角度γ
が95度であり翼取付ピツチｔと翼弦長との比
ｔ／が0.66である従来の波力発電に使用された
タービンの全時間帯作動域におけるタービン効率
ηを示す点である。

このタービンの諸元を示せば次の通りである。
静翼外径188mm、静翼内径140mm、ノズル面積S_o
0.00169m²、動翼外径200mm、動翼内径140mm、動
翼コード長0.025ｍ、動翼スパンｈ（動翼外径−
動翼内径）／２＝0.030ｍ、動翼枚数z30、ノズル
角度15度である。

以上の実験結果から従来の全時間帯作動域にお
けるタービン効率ηよりもよくするには翼取付ピ
ツチｔと翼弦長との比ｔ／を0.9から1.5の範
囲が最適であり、かつ、翼取付角度γを105度以
上125度以下（125度は含む）にするのがよいこと
が理解される。

（考案の効果） 以上詳述した通り本考案によれば、波力発電装
置に使用されるタービン翼の翼取付ピツチｔと翼
弦長との比ｔ／を0.9＜ｔ／＜1.5に、翼取
付角度γを105度≦γ≦125度に設定したので、タ
ービンの全時間帯作動域におけるタービン効率η
を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案にかかる実験の諸元を説明する
ために示したタービン翼の翼列の展開図である。
第２図は図１におけるタービンの平面図である。
第３図は第２図の縦断面図である。第４図は本考
案の実施例を示す線図である。第５図は空気ター
ビン式波力発電機を示す概念説明図である。 １２……タービン翼、１５……翼車、１６……
タービン、ｔ……翼取付ピツチｔ、……翼弦
長、γ……翼取付角度。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 下端を水中に解放した空気室２を形成し、この
   空気室２の上部に発電室３を形成し、この発電室
   ３の中に入口を下側に向けたタービンノズル１
   １、タービン翼１２、翼車１５により構成された
   タービン１６に発電機１３の垂直軸を直結した状
   態で配設するとともに前記空気室２に連通する複
   数の空気流路４と複数の大気側空気流路８を形成
   し、大気側空気流路８を大気開放口７により大気
   中に解放し、前記発電室３の内部をタービン入口
   室３ａとタービン出口室３ｂとに分割し、前記複
   数の空気流路４のそれぞれにタービン入口室３ａ
   側にのみ開く弁５とタービン出口室３ｂに連通し
   空気流路４側のみに開く弁６が設けられ、一方前
   記複数の大気側空気流路８のそれぞれにタービン
   入口室３ａ側にのみ開く弁９とタービン出口室３
   ｂに連通し大気側空気流路８側にのみ開く弁１０
   を設けた波力発電装置において、 前記タービン翼の翼取付ピツチｔと翼弦長と
   の比ｔ／を0.9≦ｔ／≦1.5に、翼取付角度γ
   を105度≦γ≦125度に設定したことを特徴とする
   波力発電装置。