JPS6131310B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、波力発電装置に関する。特に、本発
明は、浮体を用いた波力発電装置に関する。

海洋の波力をエネルギ源として発電を行なう波
力発電装置には、大別して空気タービン方式と浮
体方式とが知られている。空気タービン方式は、
下方に開口した空気ピストン室を水面に突出して
固定し、該空気ピストン室内における水面の上下
動により、室内の空気の圧縮排出を行ない、この
空気によつて空気タービンを作動させ、発電を行
なうものである。この方式は、可動部が少く、し
たがつて使用中の故障等の問題が少ないという利
点はあるが、空気の圧力が１ｍないし２ｍの波高
に対して0.05〜0.1気圧（通常の場合、波高圧力
の1/2程度が最大の出力を取出し得る）程度が限
度と小さく、このような微小圧力（通常の発電用
タービンは10〜500気圧）ではタービンの羽根等
の面積も圧力に反比例して大きくする必要がある
ため機関も大型となり、かつ摩擦力等に打ち勝つ
効率の高い機関を作ることは実用上難しい。

また、運転を円滑化するための空気溜も必然的
に大型のものとなり、波力エネルギの利用効率の
面で十分とは云い難く、かつ装置が大がかりにな
りコスト高になる。

一方、浮体方式はケーブルにより係留された浮
体を用いてピストン・シリンダを作動させて波力
エネルギを取り出すことをその原理とするもの
で、作用流体は圧縮性を無限できる水を利用で
き、かつ浮体の有効断面積とシリンダ面積の比を
大きくすることにより、例えば、50気圧〜400気
圧程度の高圧力の圧力源が得られる。したがつ
て、理論的には、波エネルギを高い変換効率で機
械的エネルギに変換できる利点を有する。

ところで、一般に海面に浮遊する浮体が波の上
昇下降に追随して安定な上下運動を行なうために
は、浮体を係留するケーブルにある程度の張力を
常に与え下方あるいは海底の一固定点に対して引
きつけるように拘束力を加えておくことが必要で
ある。この係留用ケーブルに生じる張力変動によ
り、流体ピストン・シリンダ装置を作動させるよ
うに構成した例として特開昭54―17437号公報、
特開昭52―31247号及び特開昭54―163242号公報
に記載された装置があるが、これら従来の浮体方
式は、いずれも浮体をケーブルの自重により拘束
する方式であつて、波の上下動に対するピスト
ン・シリンダ装置の追随性が低く、エネルギ利用
効率が不十分であり、また浮体の拘束が弱く従つ
て波浪に対し耐久性が低い。即ち、特開昭54―
17437号公報に開示された装置では、浮体が上方
のケーブルを介してピストン・シリンダ装置のピ
ストン接続され、ピストン・シリンダ装置のシリ
ンダは、下方のケーブルを介して海底に係留され
ており、波面の上下に応じて浮体が上下動したと
き、ピストン・シリンダ装置もそれに伴なつて上
下動する。そして、ピストン・シリンダ装置を海
底に係留する下方のケーブルは、浮体の上昇に伴
なつてピストン・シリンダ装置が上昇したとき、
第３図ａに示すようにたるみの減少した状態にな
り、浮体の下降に伴なつてピストン・シリンダ装
置が下降したとき、第３図ｂに示すようにたるみ
の増大した状態にある。この場合、ケーブルの張
力は、ケーブルの自重により生じるものであり、
有効なケーブル自重は、第３図ａ，ｂに示すピス
トン・シリンダ装置下の高さ（ピストン・シリン
ダ装置下面から海底の係留点までの鉛直長さ）に
比例する。浮体上昇時のたるみ状態と、下降時の
たるみ状態との間で生じる有効なケーブル自重の
変化が張力変化となつて、ピストン・シリンダ装
置のピストンの移動を生じさせる。この方式で
は、浮体上昇分の大部分は、ピストン・シリンダ
装置の上昇のために費され、実際にピストンの移
動に利用できるのは、浮体の上下動のごく一部に
すぎなくなる。また、シリンダを海底に係留する
ケーブルは故意に緩くしてあつて懸垂線をなして
いるため、浮体に対する横方向の拘束力はケーブ
ル張力の僅が10〜15％程度であり、台風等の波浪
の荒いとき、浮体の揺動が激しく浮体やケーブル
が損傷を受け易い。

また、特開昭52―31247号公報及び特開昭54―
163242号公報には、浮体で作動する揚水ポンプに
より陸上に設けた貯水池に揚水し、この貯水池か
らの落差により水車式発電機を作動させるように
した波力発電装置が開示されているが、これらに
示されている揚水ポンプは、ピストン・シリンダ
装置のシリンダ下面を海底に固定し、ピストンを
浮体係留ケーブルに結合しただけであるので、浮
体が下降するときピストンを押し下げる力として
有効に作用するのはピストンの重量だけとなり、
実際には、シリンダ・ピストン間の摩擦力のた
め、ピストンは下がることができないか、僅かに
動くだけである。従つて波が下降するときにケー
ブルが緩んでしまい続く上昇時にケーブルが緊張
するまでは波のエネルギを取り出すことができな
いので、エネルギ利用効率は著しく低い。また、
波の下降時ケーブルが緩んで浮体の拘束力がなく
なり、波の衝撃による浮体やケーブルの損傷や破
損が一層生じ易い。

以上の如く、浮体方式で十分なエネルギ利用効
率を達成するためには、浮体が下降するときピス
トンに適切な下向きの力を加えてケーブルを緊張
状態に保持し、浮体を横方向にも拘束することが
必要であるが、そのための手段として、緊張バネ
を設けることは、バネの耐久性の問題等難点が多
い。

本出願人は、この問題の解決のために、特願昭
55―100381号において、ポンプを構成するピスト
ン・シリンダ装置のピストン上下面に差圧を形成
し、この差圧よつてピストンに下向きの力を加え
浮体係留ケーブルに常時張力を与える方式を提案
した。この提案の場合、差圧の発生、維持のた
め、低圧の調整用タンク及び排水ポンプ等の設備
が必要である。

したがつて、本願の第一番目の発明は、浮体作
動のポンプを揚水発電に用いるようにした波力発
電装置において、ポンプを構成するピストン・シ
リンダ装置内の差圧により浮体係留ケーブルに張
力を与えて波力エネルギの利用効率と浮体とケー
ブルの耐波浪性とを高めるとともに、その差圧を
発生するために圧力調整用タンクや排水ポンプ等
の手段を必要としない構造を提供することを目的
とする。

本願の第二番目の発明の目的は、上記の目的に
加えて、浮体作動のポンプを揚水発電に用いるよ
うにした波力発電装置において、発電機、貯水設
備、配管等の構成要素を一つの装置にまとめ、装
置全体を海底に拘置する、水没型の、いわゆるユ
ニツトとして構成でき、以つて、陸上の貯水池と
海底のポンプとを結ぶ配管を不要として、配管敷
設及びその保守点検等の水中作業を大幅に減少で
きるようにし、また単一のユニツトを使用した家
庭用の極く小規模発電から多数のユニツトを並列
に使用した事業用大規模発電までの、いかなる規
模の発電にも即応できるようにした発電装置を提
供することである。

すなわち、本発明の特徴は、浮体の係留のため
のケーブルに、ポンプとして機能するピストン・
シリンダ装置を接続し、該ピストン・シリンダ装
置には、ピストンを挾んでポンプ室と低圧室とを
設け、該低圧室は水中に開放し、ポンプ室には該
低圧室に与えられる水頭圧より高い水頭圧を吸入
口に与えることにより、ポンプ室と低圧室との間
の差圧でケーブルを緊張状態に保持することにあ
る。

すなわち、本発明では低圧室を水中に開放して
いるため低圧室の圧力は該低圧室の水深の圧力と
等しく一定であり、とくにその差圧を保つための
圧力調整用タンクや排水ポンプ等の手段を必要と
しない。

さらに詳細に述べると、本願の第１番目の発明
による波力発電装置は、水底に一端が係留された
ピストン・シリンダ装置と、ケーブルを介して前
記ピストン・シリンダ装置のピストンに連結され
た浮体と、前記ピストン・シリンダ装置内でピス
トンの上方に形成されたポンプ室に設けられた吸
入口及び吐出口と、前記ポンプ室の吐出口に接続
された圧力水源と、前記圧力水源からの水流によ
り発電作動する発電装置と、前記発電装置からの
排水を受ける排水留とからなり、前記ピストン・
シリンダ装置のピストンの下方には水中に開放さ
れた低圧室が形成され、前記排水留は前記ポンプ
室の吸入口に接続され、前記低圧室に与えられる
水頭圧により高い水頭圧を該吸入口に与え、この
差圧によつて前記ケーブルを緊張状態に保持する
ようになつている。本発明のこの構成によれば、
ピストン・シリンダ装置のピストンに浮体を連結
するケーブルは、ポンプ室と低圧室の圧力差によ
りピストンに対して下向きに作用する力によつて
常時緊張状態に保持されるため、波の上下動によ
る浮体の上下動のほとんどをピストン・シリンダ
装置に伝えることができ、波力エネルギの利用効
率が高められる。更に、ピストン・シリンダ装置
内の差圧は、いわゆる油圧装置におけると同様
に、例えば50気圧〜100気圧程度の所望の大きさ
に設定できるので、浮体質量の数倍から10数倍と
いう大きなケーブル張力で浮体を拘束することが
できる。

従つて、浮体は常に直線的に緊張しているケー
ブルで海底の重錘に強く拘束されるので波の激し
い運動にも良く追従してケーブルが緩まない。

このため、波の衝撃を受けることが少く、耐波
浪性が高められる。また、ポンプ室の吐出口を圧
力水源に接続し、圧力水源からの水流により発電
装置を作動させ、該排水装置からの排水を排水留
によつて受けるようにするとともに、該排水留は
ポンプ室の吸入口に接続し、ピストン・シリンダ
装置の低圧室は水中に開放した構成により、圧力
水源、発電装置および排水留を地上に設置した地
上設置型としても、或いはこれらを水中に設置し
た完全水没型としても実施できるので、立地条件
上の制約が少なくてすみ、しかもピストン・シリ
ンダ装置の低圧室は水中に開放されているため、
この低圧室の圧力調整を特に考える必要がなく、
低圧室へのポンプ室からの漏水を懸念する必要も
ないという利点がある。さらに、ピストン・シリ
ンダ装置および浮体が海水中に配置される場合に
も、発電装置を循環する水は淡水を使用できるの
で、微生物の発生を抑え、浄化を容易に行なうこ
とができるとともに、水循環系の腐蝕の問題を軽
減することができる。

本願の第１番目の発明の実施にあたつては、圧
力水源は、発電装置より上方に設けた上方貯水池
により構成し、排水留は、発電装置より下方であ
つて浮体の浮遊する水面より上方に設けた下方貯
水池により構成すればよい。また、他の態様とし
ては、圧力水源を圧縮気体により与圧された高圧
タンクにより構成し、排水留を高圧タンクの与圧
より低くピストン・シリンダ装置の低圧室に与え
られる水頭圧より高い圧力に与圧された中圧タン
クにより構成することもできる。

また、本願の第２番目の発明による波力発電装
置は、水底に一端が係留されたピストン・シリン
ダ装置と、ケーブルを介して前記ピストン・シリ
ンダ装置のピストンに連結された浮体と、前記ピ
ストン・シリンダ装置内でピストンの上方に形成
されたポンプ室に設けられた吸入口及び吐出口
と、前記ポンプ室の吐出口に接続された圧力水源
と、前記圧力水源からの水流により発電作動する
発電装置と、前記発電装置からの排水を受ける排
水溜とからなり、前記ピストン・シリンダ装置の
ピストンの下方には水中に開放された低圧室が形
成され、前記排水溜は前記ポンプ室の吸入口に接
続され、前記低圧室に与えられる水頭圧より高い
水頭圧を該吸入口に与え、この差圧によつて前記
ケーブルを緊張状態に保持するようになつてお
り、前記圧力水源は圧縮気体により与圧された高
圧タンクであり、前記排水溜は前記高圧タンクの
与圧より低く前記ピストン・シリンダ装置の低圧
室に与えられる水頭圧より高い圧力に与圧された
中圧タンクからなり、前記高圧タンク、中圧タン
ク及び発電装置は耐圧ケース内に収められて水中
に配置されている。本発明のこの構成によれば、
圧力水源となる高圧タンク、排水溜となる中圧タ
ンクおよび発電装置が耐圧ケース内に収められて
水中に配置されるので、立地条件上、陸上に設備
のための場所をとり難い場合にも設置可能であ
り、しかも工場で生産して完全に組立てた状態で
水中に沈めることができるので、水中への設置に
際し、水中作業はほとんど必要としない利点があ
る。従つて、一般家庭でも容易に利用できるばか
りか、発電ユニツトを必要数海中に設置して所要
能力の大発電所を容易に建設できるので、発電所
の建設費を大きく引き下げ得る。

以下、本発明の実施例を図について説明する
と、まず第１図において、海岸に接して位置する
台地には、上方貯水池１が設置され、該貯水池１
から水管２を通つて流下する水流により作動する
水力発電機３が、貯水池１の下方に配置される。
発電機３からの排水は、下方貯水池４に排出され
る。海中には、適当な大きさの浮体５が置かれ、
この浮体５は、ケーブル６によりピストン・シリ
ンダ装置７に接続される。ピストン・シリンダ装
置７は、シリンダ８とピストン９とからなり、シ
リンダ８の下端は海底に置かれた重錘１０に結合
され、ピストン９のピストン棒９ａは、シリンダ
８の上端から突出してケーブル６に結合されてい
る。

潮位の変化に合わせてケーブル６の長さを調整
したり、台風その他の荒天時に漂流物等により浮
体５が破損するのを防止するため、浮体中には電
動の巻取レール（図示せず）を設けることが好ま
しい。

シリンダ８内には、ピストン９の上方にポンプ
室１１が、またピストン９の下方に低圧室１２が
形成される。ポンプ室１１の上端には吸入口１３
及び吐出口１４が形成され、この吸入口１３は、
吸入側にのみ開く逆止弁１５を介して、水管１６
により下方貯水池４に接続され、吐出口１４は吐
出側にのみ開く逆止弁１７を介して水管１８によ
り上方貯水池１に接続される。ピストン・シリン
ダ装置７の低圧室１２はフイルタ１９を有する管
１９ａにより水中に開放されている。

以上の配置において、ピストン・シリンダ装置
７のピストン９には、吸入口１３に与えられる水
頭圧、すなわち本例においては下方貯水池４の水
面による水頭圧と、低圧室１２に与えられる水頭
圧、すなわち浮体５の浮遊する水面による水頭圧
との差により、常時下向きの力が与えられ、ケー
ブル６は緊張状態に保持される。このように、緊
張状態のケーブル６に接続された浮体５は、波浪
に敏感に応動して上下動し、ピストン９を作動さ
せる。このため、ポンプ装置は、下方貯水池４か
ら水を吸入して上方貯水池１に吐出し、この上方
貯水池１の水は、水管２を通つて流下して発電機
３を作動させる。このようにして、発電のために
循環させる水は、淡水を用いることが望ましい。
浮体５には、長期間にわたつてガス圧をほゞ一定
に保つために少量のフレオンＲ―12の飽和ガスの
ような気体を封入しておくことが好ましく、また
潮位置変化の調整その他前述した目的で、電動巻
取リールを浮体５内に設けケーブル６の長さ調節
を行なうことが望ましい。浮体及びピストン・シ
リンダ装置は、発電設備の規模に応じて適当個数
設置することができる。

第２図は本発明の他の実施例を示すもので、本
例においては、圧力水源として高圧タンク２０
が、排水溜として中圧タンク２１がそれぞれ設け
られ、これらタンク２０，２１は、発電機２２と
共に耐圧ケース２３内に配置され、該耐圧ケース
２３は着脱式自在継手２４を介して重錘２５に係
留されている。浮体５にケーブル６により結合さ
れたピストン・シリンダ装置７は、耐圧ケース２
３に結合されており、ポンプ室１１は揚水管２６
により高圧タンク２０の底部に接続されている。
また、高圧タンク２０は発電機２２に接続され、
発電機２２の排水管２７は中圧タンク２１の底部
に接続されている。中圧タンク２１の底部はさら
に送水管２８によりポンプ室１１の吸入口に接続
される。中圧タンク２１には、漏水補充用ポンプ
２９が設けられ、タンク２０，２１内の水位が所
定レベルより下つたとき作動して、タンク２１に
給水する。

タンク２０は内部が可撓膜２０ａにより仕切ら
れ、上方の室には、長期間にわたつてガス圧を
ほゞ一定に保つためにたとえば少量のフレオンＲ
―22の飽和ガス等の圧縮気体が封入され、膜２０
ａの下方の室内の水に圧力を与えている。タンク
２１は、同様に内部が可撓膜２１ａにより仕切ら
れ、上方の室には、たとえばフレオンＲ―12の飽
和ガス等の圧縮気体が封入され、膜２１ａの下方
の室内の水に圧力を与えている。高圧タンク２０
内の圧力は中圧タンク２１内の圧力より高く、そ
の圧力差により高圧タンク２０から発電機２２を
通り中圧タンク２１に至る水流が発生する。ま
た、中圧タンク２１内の圧力は、シリンダ８内の
低圧室１２に加わる水頭圧より大きく、したがつ
てピストンｇはその圧力差により下方に引かれ、
ケーブル６を緊張状態に保持する。本例は、発電
装置をユニツト化できる利点があり、工場生産し
た発電ユニツトを所要個数だけ水中に施設するこ
とにより、所要の規膜の発電所を建設することが
可能にある。

以上述べた通り、本発明の発電装置は、浮体に
より作動するピストン・シリンダ型のポンプを用
いて揚水を行ない、揚水された水頭圧により発電
装置を作動させるもので、浮体を係留するケーブ
ル緊張状態に張られているので、波のエネルギを
効率良く取出すことができ、しかもケーブルに張
力を与えるための手段は、きわめて簡便であり、
かつ耐久性があるものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す概略図、第２図
は本発明の他の実施例を示す概略図、第３図ａお
よびｂは従来の浮体式波力エネルギ取出装置の作
動を示す概略図である。 １…上方貯水池、３…発電機、４…下方貯水
池、５…浮体、６…ケーブル、７…ピストン・シ
リンダ装置、１１…ポンプ室、１２…低圧室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水底に一端が係留されたピストン・シリンダ
   装置と、ケーブルを介して前記ピストン・シリン
   ダ装置のピストンに連結された浮体と、前記ピス
   トン・シリンダ装置内でピストンの上方に形成さ
   れたポンプ室に設けられた吸入口及び吐出口と、
   前記ポンプ室の吐出口に接続された圧力水源と、
   前記圧力水源からの水流により発電作動する発電
   装置と、前記発電装置からの排水を受ける排水溜
   とからなり、前記ピストン・シリンダ装置のピス
   トンの下方には水中に開放された低圧室が形成さ
   れ、前記排水溜は前記ポンプ室の吸入口に接続さ
   れ、前記低圧室に与えられる水頭圧より高い水頭
   圧を該吸入口に与え、この差圧によつて前記ケー
   ブルを緊張状態に保持するようになつた波力発電
   装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の波力発電装置に
   おいて、前記圧力水源は前記発電装置より高い位
   置に配置された上方貯水池であり、前記排水溜は
   前記発電装置より下方であり浮体の浮遊する水面
   より上方に配置された下方貯水池である波力発電
   装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の波力発電装置に
   おいて、前記圧力水源は圧縮気体により与圧され
   た高圧タンクであり、前記排水溜は前記高圧タン
   クの与圧より低く前記ピストン・シリンダ装置の
   低圧室に与えられる水頭圧より高い圧力に与圧さ
   れた中圧タンクからなる波力発電装置。 ４ 水底に一端が係留されたピストン・シリンダ
   装置と、ケーブルを介して前記ピストン・シリン
   ダ装置のピストンに連結された浮体と、前記ピス
   トン・シリンダ装置内でピストンの上方に形成さ
   れたポンプ室に設けられた吸入口及び吐出口と、
   前記ポンプ室の吐出口に接続された圧力水源と、
   前記圧力水源からの水流により発電作動する発電
   装置と、前記発電装置からの排水を受ける排水溜
   とからなり、前記ピストン・シリンダ装置のピス
   トンの下方には水中に開放された低圧室が形成さ
   れ、前記排水溜は前記ポンプ室の吸入口に接続さ
   れ、前記低圧室に与えられる水頭圧より高い水頭
   圧を該吸入口に与え、この差圧によつて前記ケー
   ブルを緊張状態に保持するようになつており、前
   記圧力水源は圧縮気体により与圧された高圧タン
   クであり、前記排水溜は前記高圧タンクの与圧よ
   り低く前記ピストン・シリンダ装置の低圧室に与
   えられる水頭圧より高い圧力に与圧された中圧タ
   ンクからなり、前記高圧タンク、中圧タンク及び
   発電装置は耐圧ケース内に収められて水中に配置
   された波力発電装置。