JPH10246171A - 波力発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 波エネルギを空気を媒体としてタービン・発
電機に伝達する波力発電装置において、特別の複雑な機
構を用いることなく、空気室等建物の高さを高くせず、
発電室への海水の侵入を防ぐ構造とする。 【解決手段】 海面上に支持され、かつ、海中に開口部
３ａを有する空気室３とこの上方の海水減勢室２２とを
通気管２３で連絡し、海水減勢室２２より上方位置にタ
ービン１３による発電機１４を設け、通気管２３の断面
積を空気室３および海水減勢室２２の断面積よりも十分
に小さくした。波高が大きい場合の海面上昇時には、空
気室３から上方に抜ける空気は通気管２３で十分に小さ
く絞られ、海水減勢室２２で拡張されるので、海水減勢
室２２では海面の上昇速度が遅くなり、海水減勢室２２
内での水面高さは従来よりも低く抑えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】通常知られている波力発電装
置には、海洋における波エネルギーを水面の上下動とし
て捕らえ、空気を媒体としてタービンを回転させると共
に発電機を作動させ、電気エネルギに変換して利用して
いるものがある。本発明は、このような構造において海
水を機械に干渉させないようにした波力発電装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】波力発電装置の一例として、図４に示す
ように、港湾等の海底に設けた広域面積のマウンド１に
防波堤２を構築し、防波堤２にケーソンを上下方向に組
み、外洋水中に通じる開口部３ａを備えた空気室（ケー
ソン）３が海面上の位置で防波堤２に固着され、空気室
３の上部に空気ダンパ室（ケーソン）４、発電室（ケー
ソン）５を設けて波力発電装置６を構成させている（特
開平８−１３４８８２号公報参照）。なお、空気室３と
空気ダンパ室４とを連通する通気孔７、空気ダンパ室４
と発電室５とを連通する入力口８および、発電室５と外
部とを連通する吸排気口９が各室の隔壁に設けられてい
る。

【０００３】また、通気孔７には除塵用のスクリーン１
０を設け、入力口８には空気ダンパ室４内部に向けて入
力管１１が取り付けられ、その先端にフロート弁１２が
備えられ、発電室５の入力口８にはタービン１３および
発電機１４が配設されている。また、発電室５の吸排気
口９の内側および外側には壁面から離して遮蔽板１５が
設けられている。

【０００４】さらに、空気ダンパ室４には側壁を貫通し
てＵ字状の水弁水槽１６が設けられている。なお、発電
室５からは水弁水槽１６に向けてドレンパイプ１７が設
けられいる。

【０００５】このように構成した波力発電装置６は、外
洋の波が空気室３の水面を昇降させ、内部の空気を揺動
させることにより、タービン１３および発電機１４を作
動させて電気エネルギーを得る。

【０００６】ところで、海水の異常上昇時に空気室３に
満ちた海水が空気ダンパ室４に侵入し、さらに、入力管
１１を伝ってタービン１３、発電機１４に干渉すると、
タービン１３、発電機１４が劣化する虞が出てくる。そ
こで、前述した水弁水槽１６により、海水圧力を外部に
逃がしタービン１３、発電機１４に海水が侵入しないよ
うにさせている。あるいは、空気室３および空気ダンパ
室４の高さを、異常波浪時の作用高を十分許容する高さ
に構築することが考えられている。

【０００７】また、図５に示すように、通気孔７と入力
口８との間にモータ駆動型のバルブ１８を備えた連通管
１９を接続し、バルブ１８の下方位置にセンサ２０を取
り付け、センサ２０の出力によりバルブ１８を作動させ
る制御装置２１を設けた構造のものがある。この構成で
は、海水の異常上昇時、連通管１９に海水が侵入したと
きにセンサ２０がそれを検知する。センサ２０の信号は
制御装置２１へ送られ、制御装置２１はバルブ１８を閉
じるように作動する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、波力発
電装置６の異常波浪時の対策として、水弁水槽１６を使
用した場合には、通常時において水弁水槽１６から空気
が流入出できないように常に水を張った状態に管理する
必要がある。このため、水槽への水の補給装置（図示
略）や監視装置（図示略）を設置しなければならず、コ
ストがかかることになる。さらに、海水の上昇速度は空
気室３および空気ダンパ室４において同じであり、水弁
水槽１６が十分に対応できない場合を考慮して空気室３
および空気ダンパ室４の高さを高くすることになり、建
物の風雨に対する強度を強くしなければならず、また、
建物の高さが高くなることで美観を損ねる場合がある。

【０００９】また、図５に示すように、センサ２０およ
びモータ駆動のバルブ１８を付加した場合、機構が複雑
になり製作コストが高くなるという問題を生じ、また、
機械的可動部が存在するために故障が発生し易くなると
いう問題を生じる。

【００１０】このため、特別の複雑な機構を用いること
なく、空気室等建物の高さを高くせず、流体の持つ性質
を利用することにより発電室５への海水の侵入を防ぐ構
造が望まれていた。本発明は、タービン、発電機を収納
した発電室に海水が到達しないように空気流路の形状を
変化させた波力発電装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、請求項１記載の発明では、海面上に安定に
支持され、かつ、海中に開口部を有する空気室と、該空
気室より上方位置に海水減勢室を設置し、該海水減勢室
より上方位置にタービンによる発電機を設け、前記空気
室と前記海水減勢室とを通気管で連絡し、前記海水減勢
室と前記タービン入力部を入力管で連絡し、前記通気管
の断面積は前記空気室および前記海水減勢室の断面積よ
りも十分に小さくされていることを特徴とする。

【００１２】ここで云う空気室および海水減勢室の断面
積は水平断面を意味するものであり、また、通気管の断
面積は通路断面を云う。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。なお、従来の技術で説明した
部材は同一符号を付け説明を省略する。図１に示すよう
に、空気室３とタービン１３・発電機１４を収納した発
電室５の間に海水減勢室２２を設け、空気室３と海水減
勢室２２とを通気管２３で連通させ、海水減勢室２２と
発電室５のタービン１３とを入力管２４で連通させてい
る。

【００１４】波力発電装置６を説明するために、図１に
示す構造を図２により模式させ、図３によって海水の上
昇、下降をパターンにより示す。このとき、ｈは平均海
面の高さ、ｄｃ（没水部長さ），ｈｏ（空気室３の高
さ）は同量の海面変位であり、規則的な波高：Ｚ_i ＝ａ
・ｓｉｎωｔが発生しているものとすると、時間ｔ₁ 〜
ｔ₄ までの間で波高が昇降し、ｔ＝ｔ₁ 〜ｔ₂ の間、海
水が空気室３から通気管２３を通り海水減勢室２２に進
入する。また、ｔ＝ｔ₃ 〜ｔ₄ の間、海水が引けて水面
が空気室３没水部以下になる。なお、Ａ₁ ：空気室断面
積、Ａ₂ ：第１の通気管の断面積、Ａ₃ ：海水減勢室の
断面積とする。

【００１５】図１に示すように、海水中に開放された波
取り入れ口３ａより海水が空気室３に入り、海水の異常
な上昇時、海水は空気室３の水面を上昇させて室内を満
水にし、その後、通気管２３を通って海水減勢室２２に
進入する。このとき、通気管２３の通路断面積が空気室
の水平断面積より小さいために流体力学に基づく入力損
失が生じ、また、通気管２３から海水減勢室２２に海水
が侵入するときに、通気管２３の通路断面積より海水減
勢室２２の水平断面積が大きいので広がり損失を生じ
る。そこで、海水減勢室２２の中では断面積の比に反比
例して上昇速度が小さくなり、かつ、水位上昇に基づく
水圧力により海水上昇速度は小さくなる。したがって、
通気管２３の断面積、海水減勢室２２の断面積および高
さを設定することにより、波高の高い波でも発電室５へ
の侵入を防ぐことができる。

【００１６】まず、海水侵入時は、空気室３（没水部長
−ｄｃ）での波圧Ｐ₁ は、微小振幅波理論により、海水
密度をρ、重力加速度をｇとすれば、 Ｐ₁ ／（ρ・ｇ）＝ｄｃ＋ａ・ｃｏｓｈ・ｋ（ｈ−ｄ
ｃ）・ｓｉｎωｔ／ｃｏｓｈ（ｋｈ） であり、波が空気室天井以上の高さに上昇していると
き、Ｐ₁ ’：空気室天井での圧力とすると、 Ｐ₁ ’＝Ｐ₁ −ρ・ｇ（ｄｃ＋ｈｏ） となる。

【００１７】海水減勢室下端より上方にＺ軸を取り、空
気室３天井、通気管２３、海水減勢室２２の水面の各断
面にベルヌイの式を適用する。そして、空気室３内の海
水上昇速度をＶ₁ 、通気管２３内の流速をＶ₂ 、圧力を
Ｐ₂ 、海水減勢室２２内の流速をＶ₃ 、水面の圧力をＰ
₃ （＝０）、とすると、 Ｖ₁ ²／２ｇ＋Ｐ₁ ’／（ρ・ｇ）＝Ｖ₂ ²／２ｇ＋Ｐ₂ ／
（ρ・ｇ）＋ｈ₁₂ Ｖ₂ ²／２ｇ＋Ｐ₂ ／（ρ・ｇ）＝Ｖ₃ ²／２ｇ＋Ｚ＋ｈ₂₃ となる。但し、空気室天井の圧力とＺ＝０における圧力
を近似的に等しいとした。ここで、ｈ₁₂は断面積が急収
縮する場合の損失であり、 ｈ₁₂＝Ｖ₂ ²／２ｇ（１／ｃ₁ −１）² である。ｃ₁ は縮流係数であり、Ａ₂ ＜Ａ₁ ／１０の場
合、０．６１である。また、ｈ₂₃は断面積が急拡大する
場合の損失であり、 ｈ₂₃＝１／２ｇ（Ｖ₂ −Ｖ₃ ）² ＝Ｖ₂ ²／２ｇ（１−Ａ
₂ ／Ａ₃ ）² である。

【００１８】以上の式を整理して下記の通り式（１）と
する。 Ｐ₁ ’／（ρ・ｇ）＝Ｚ＋Ｖ₃ ²／２ｇ｛１＋０．４０９（Ａ₃ ／Ａ₂ ）² ＋（ １−Ａ₂ ／Ａ₃ ）² （Ａ₃ ／Ａ₂ ）² −（Ａ₃ ／Ａ₁ ）² ｝ ・・・（１） 一例として、通気管２３の直径を０．２ｍ、海水減勢室
２２の直径を１ｍとすると、Ａ₃ ／Ａ₂ ＝２５となり、
（Ａ₃ ／Ａ₂ ）² ＝６２５となる。従って式（１）にお
いて｛｝内は８００以上となり、損失を考慮しないとき
の８００倍以上の値となる。

【００１９】次に、海水排水時は、海水侵入時と同様に
海水減勢室２２の水面上、通気管２３中、空気室３天井
の各断面にベルヌイの式を適用すると、 Ｖ₃ ²／２ｇ＋Ｚ＝Ｖ₂ ²／２ｇ＋Ｐ₂ ／（ρ・ｇ）＋ｈ₃₂ Ｖ₂ ²／２ｇ＋Ｐ₂ ／（ρ・ｇ）＝Ｖ₁ ²／２ｇ＋Ｐ₁ ’／
（ρ・ｇ）＋ｈ₂₁ ここで、ｈ₃₂は断面積が急収縮する場合の損失であり、 ｈ₃₂＝Ｖ₂ ²／２ｇ（１／ｃ₂ −１）² である。なお、ｃ₂ は縮流係数であり、Ａ₂ ＜Ａ₃ ／１
０の場合０．６１である。また、ｈ₂₁は断面積が急拡大
する場合の損失係数であり、 ｈ₂₁＝１／２ｇ（Ｖ₂ −Ｖ₁ ）² ＝Ｖ₂ ²／２ｇ（１−Ａ
₂ ／Ａ₁ ）² である。

【００２０】すなわち、上記の式を整理して下記の通り
式（２）とする。 Ｐ₁ ’／（ρ・ｇ）＝Ｚ＋Ｖ₃ ²／２ｇ｛１−０．４０９（Ａ₃ ／Ａ₂ ）² − （１−Ａ₂ ／Ａ₃ ）² （Ａ₃ ／Ａ₂ ）² ＋（Ａ₃ ／Ａ₁ ）² ｝ ・・・（２）

【００２１】次に、 Ｃ＝１／ｇ｛１＋０．４０９（Ａ₃ ／Ａ₂ ）² ＋（１−
Ａ₂ ／Ａ₃ ）² （Ａ₃／Ａ₂ ）² −（Ａ₃ ／Ａ₁ ）² ｝ として、Ｖ＝Ｖ₃ とすると、式（１）は Ｐ₁ ’／（ρ・ｇ）＝Ｚ＋（Ｃ／２）Ｖ ² となる。両辺をｔで微分することにより、また、ｄｖ／
ｄｔ＝Ｖであるので、 １／（ρ・ｇ）ｄＰ₁ ’／ｄｔ＝Ｖ＋Ｃ・Ｖ・ｄｖ／ｄｔ ＝（１＋Ｃｄｖ／ｄｔ）Ｖ ・・・（３） となる。

【００２２】 ところで、Ｐ₁ ’＝Ｐ₁ −ρ・ｇ（ｄｃ＋ｈｏ） また、Ｐ₁ ／（ρ・ｇ）＝ｄｃ＋ａ・ｃｏｓｈ・ｋ（ｈ
−ｄｃ）・ｓｉｎωｔ／ｃｏｓｈ（ｋｈ）であるので、 １／（ρ・ｇ）ｄＰ₁ ’／ｄｔ＝１・ｄＰ₁ ’／（ρ・ｇｄｔ） ＝ａω・ｃｏｓｈ・ｋ（ｈ−ｄｃ）・ｃｏｓωｔ ／ｃｏｓｈ（ｋｈ） となり、ここで、 Ｄ＝ａω・ｃｏｓｈ・ｋ（ｈ−ｄｃ）／ｃｏｓｈ（ｋｈ） とすれば、 １／（ρ・ｇ）ｄＰ₁ ’／ｄｔ＝Ｄｃｏｓωｔ 故に式（３）により、 （１＋Ｃ・ｄｖ／ｄｔ）Ｖ＝Ｄ・ｃｏｓωｔ となる。

【００２３】上式の微分方程式を数値解法で解き、ｔ＝
ｔ₁ 〜ｔ₂ におけるＺｍａｘを求める。次に、ｔ＝ｔ₃
にてＺが０ないし負であるか、またはＺが正であって
も、次の波が空気室３天井に当たるまでの時間（ｔ＝Ｔ
＋ｔ₁ ）に海水が自然落下することを確認すれば良い。
また、海水減勢室２２の高さはＺｍａｘ以上に設定すれ
ば良い。ここで、Ｔは波の周期（単位：時間）である。
なお、波力発電装置６は防波堤２に製作したが、アンカ
ーで固定した浮き体に設けることも可能である。

【００２４】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成したもので
あり、空気室内の波圧力が上方の空気を昇降させて通気
管、海水減勢室を通じて連結されているタービンを作動
させ、発電機を動かす波力発電装置であるが、異常な波
高が作用したときの海面上昇時には、空気室から上方に
抜ける空気は通気管で十分に小さく絞られ、海水減勢室
で拡張されるので、海水減勢室では海面の上昇速度が遅
くなり、海水減勢室での高さは従来よりも低く抑えるこ
とができる。これによって、空気室、海水減勢室の高さ
を高くすることなく、特別な機構を設けなくとも海水の
異常な上昇による影響を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による波力発電装置の断面図である。

【図２】図１に示す構造の模式図である。

【図３】図１の波力発電装置を設置した箇所の波高を示
すグラフである。

【図４】従来の波力発電装置の断面図である。

【図５】従来の他の波力発電装置の断面図である。

【符号の説明】

３ 空気室 ３ａ 開口部 １３ タービン １４ 発電機 ２２ 海水減勢室 ２３ 通気管 ２４ 入力管 Ａ₁ 空気室の断面積 Ａ₂ 通気管の断面積 Ａ₃ 海水減勢室の断面積

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 海面上に安定に支持され、かつ、海中に
   開口部を有する空気室と、該空気室より上方位置に海水
   減勢室を設置し、該海水減勢室より上方位置にタービン
   による発電機を設け、 前記空気室と前記海水減勢室とを通気管で連絡し、前記
   海水減勢室と前記タービン入力部を入力管で連絡し、前
   記通気管の断面積は前記空気室および前記海水減勢室の
   断面積よりも十分に小さくされていることを特徴とする
   波力発電装置。