JPS6131311B2 - - 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視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
ストンに接続され、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４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４図ｂに示すようにた
るみの増大した状態になる。この場合、ケーブル
の張力は、その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４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保留点までの鉛
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か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が、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。

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を常
時緊張状態に維持することにより波力エネルギの
利用効率と浮体とケーブルの耐波浪性とを高める
ことを目的とする。

本願の第二番目の発明の目的は、上記目的に加
えて、ポンプが海中に設置される場合にも、発電
機には淡水を循環させることができる波力発電装
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調整室とを
設け、該調整室に低圧を常時与えてケーブルを緊
張状態に保持することにより波力エネルギを効率
よく取出し得るようにすると共に浮体とケーブル
の耐波浪性を高めうるようにしたことにある。

さらに詳細に述べると、本願の第一番目の発明
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、前記ピストン・シリ
ンダ装置内のピストン下方に形成された調整室に
下端が接続され上端が大気に開放された調整タン
クとからなり、前記調整タンクには前記ポンプ室
の吸入口に加わる圧力より低い低圧を与えるため
の所定水位に水が保持されたものである。

この構成によれば、ピストン・シリンダ装置の
ピストンには、該ピストンの上方のポンプ室に加
わる圧力と、下方の調整室に加わる圧力との差に
より常時下向きの力が作用するため、ピストンと
浮体とを結ぶケーブルは常時緊張状態に保持さ
れ、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
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随してケーブルが
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、ポンプ室の吐出口から
の吐出される水は圧力水源に送られ、この圧力水
源からの水流により発電装置が作動させられるの
で、多数の浮体およびピストン・シリンダ装置を
設け、これを１個または適当数の圧力水源に接続
することにより、大規模発電設備に容易に適用す
ることができる。

圧力水源としては、発電装置より上方に設けた
上方貯水池とするか、或いは加圧気体の導入され
る加圧タンクにより構成すればよい。

さらに、本願の第二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、前記ケーブルを常時緊張状態に保持
するため前記ピストン・シリンダ装置内のピスト
ン下方に形成された調整室に前記ポンプ室の吸入
口に加わる圧力より低い低圧を与えるための上端
部が大気に開放され下端部が調整室に接続され内
部に所定水位の水を保持する調整用タンクと、前
記発電装置からの排水を受ける下方貯水池とを有
し、前記ポンプ室の吸入口は前記下方貯水池に接
続される。

本発明のこの構成によれば、ピストン・シリン
ダ装置が海中に設置される場合にも、ポンプ室か
ら圧力水源を経て発電装置に循環させられる水と
して、淡水を使用することができるので、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、水循環系の腐食の問題を軽減すること
ができる。

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が海岸に面して配置される。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。

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の下方に調整室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が吐
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。海底には、ピスト
ン・シリンダ装置７とほぼ同高のレベルに調整用
タンク１９が配置され、この調整用タンク１９
は、上端部が管２０により大気に開放され、下端
部が管２１により調整室１２に接続されている。
またタンク１９内には適当な液位で水が保持され
ており、ピストン９のまわりから漏水によりタン
ク１９内の水位が上昇したとき、その水位を適当
位置まで下げるために、排水ポンプ２２が設けら
れる。

なお、ピストンの上昇、下降に伴う調整用タン
ク内の水位の変動によるケーブル張力の変動を出
来るだけ少くするため調整用タンクの有効断面積
をピストン・シリンダ装置のシリンダ断面積に比
べて十分大きくすることが必要である。

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、調整室１２に与えられる水頭
圧、すなわち調整タンク１９内の水面による水頭
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。調整タンク１
９の位置は、ポンプ室１１の吸入口１３に水頭圧
を与える自由水面、すなわち本例においては下方
貯水池４の水面より下方であればどの位置でもよ
く、ケーブル６に与えるに必要な張力に応じて適
宜決めればよい。また、浮体およびピストン・シ
リンダ装置を多数使用し、調整室を相互に連結し
て使用する場合に、これら調整室相互間の水流が
十分にバランスされていれば調整用タンクは小容
量のもの１箇で共用することができる。

このように、緊張状態のケーブル６に接続され
た浮体は、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からの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、フレオン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、また潮位変化に合わせてケーブル長を調整し
たり、台風その他の荒天時に漂流物等により浮体
が破損するのを防止するため浮体を水没させる目
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、下方貯水池は設けられず、発電
機３からの排水は直接海に放出される。ポンプ室
１１の吸入口１３には、フイルタ２３を有する吸
水管２４が接続され、海水がポンプ室１１に吸入
されて、上方貯水池１に送られる。

第３図は、本発明のさらに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、加圧タ
ンク３１が設けられる。加圧タンク３１は、その
下部がポンプ室１１からの揚水管１８に接続さ
れ、また発電機３に水流を供給するための送水管
３２も加圧タンク３１の下部に接続されている。
加圧タンク３１の上部には圧縮機３０からの加圧
空気が送られ、タンク３１の内部は常時加圧状態
に維持されている。したがつて、タンク３１内の
水は、該タンク３１内の圧力により送水管３２を
通つて発電機３に送られ、該発電機３を作動させ
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
ルは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
及び第３図は本発明のさらに他の実施例を示す概
略図、第４図ａ，ｂは従来の装置の作動を示す図
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…調整室、１
９…調整タンク。

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、前記ピストン・シリンダ装置内のピスト
   ン下方に形成された調整室に下端が接続され上端
   が大気に開放された調整タンクとからなり、前記
   調整タンクには前記ポンプ室の吸入口に加わる圧
   力より低い低圧を前記調整室に与えるための所定
   水位の水が保持された波力発電装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の波力発電装置に
   おいて、前記圧力水源は発電装置の上方に設けた
   上方貯水池からなる波力発電装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の波力発電装置に
   おいて、前記発電装置の排水口は海に開放され、
   前記ポンプ室の吸入口は海中に開放された波力発
   電装置。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の波力発電装置に
   おいて、前記圧力水源は加圧気体の導入される加
   圧タンクからなる波力発電装置。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の波力発電装置に
   おいて、前記調整タンクには、その中に水位を調
   整するための排水ポンプが設けられた波力発電装
   置。 ６ 水底に一端に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下方貯
   水池と、前記ピストン・シリンダ装置内のピスト
   ン下方に形成された調整室に下端が接続され上端
   が大気に開放された調整タンクとからなり、前記
   ポンプ室の吸入口は前記下方貯水池に接続され、
   前記調整タンクには前記ポンプ室に加わる圧力よ
   りも低い低圧を前記調整室に与えるための前記下
   方貯水池の水位より低い水位の水が保持された波
   力発電装置。 ７ 特許請求の範囲第６項記載の波力発電装置に
   おいて、前記調整用タンクは、その中に水位を調
   整するための排水ポンプが設けられた波力発電装
   置。