JPS605790B2 - 液体タービンを用いる波動エネルギーの変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、液体タービンを用いて波動エネルギーを変換
する装置に関するもので、海洋や湖沼等の水面に常時存
在する波動から効率良くエネルギーを抽出し、これを他
の有用なエネルギーに変換すことを目的とするものであ
る。

海洋や湖沼面の波動に着目して、その有するエネルギー
を抽出して利用すべ〈、数多〈の提案がなされている。

その中で、産業上利用できるものとして現在有力視され
ている方法として、波動の上下動に応じて波動ブィを垂
直振動させて波動エネルギーを抽出する方法と、波動の
上下動により気密室内の空気を圧縮して空気流としター
ビンを駆動する空気タービン法とがあり、いずれも実用
化のため実験が行われている。しかし〜浮動ブィの垂直
振動を利用する方法は、装置１個当りの取り出せるエネ
ルギー変換量に限度がありこれを大きくすることはむつ
かしく、その上定点に固定することが困難なため潮流に
よって漂流してしまうという欠点がある。これに対し、
空気タービン法は装置を係留するので漂流することはな
く、その上装置を大型化すれば、取り出し得るエネルギ
ー量を理論上はそれだけ大きくなし得るわけであるが、
タービンを駆動するエネルギー搬送媒体として圧縮率が
大きくかつ密度の小さい空気を用いるため、総合的なエ
ネルギー変換効率が悪く、そのため波動中に含まれる総
エネルギーのうち、極く一部のエネルギーしか抽出し利
用し得ないという大きな欠点がある。このほかにも、波
動エネルギーの変換手段として、例えばフロートの上下
運動を機械的中間機構を介して回転連動に変換する等、
機械装置を使用するものも多数提案されているが、機械
装置の作動自体にかなりのエネルギーが消費されるため
、全体としてのエネルギー変換効率は低く、その上磯織
機機にいまいま故障を起して保守に甚だ手間を要する等
の欠点がある。本発明は以上の点に鑑み研究の結果、従
来提案されているような機械的中間機構を介在させるこ
となく、さらに波動の運動量を、空気に比べてはるかに
密度の高い液体をエネルギー搬送媒体として用いて液体
タービンを駆動することにより、前記各方式に見られた
ような欠点のない波動エネルギーの変換装置を発明した
ものである。まず本発明の第１の目的は、海洋や湖沼等
の水面の波動から効率良くエネルギーを抽出し、これを
他の有用なエネルギーに変換する装置を堤供することで
ある。

本発明の第２の目的は、波動のもつ運動量を密度の高い
液体流に転換して、それにより液体夕−ビンを駆動する
ことによって、効率良くエネルギーを抽出し得る装置を
提供することである。

本発明の第３の目的は、保守、運転ともに簡単で手間を
要せずかつ大型化することも容易な装置を用い、大量の
エネルギーを効率良く抽出し得る装置を提供することで
ある。本発明の第４の目的は、波動のもつエネルギーを
他の有用なエネルギーに変換すると同時に、副次的効果
として波動を減衰せしめて有用な他の目的に使用し得る
静水面を得ることのできる装層を提供することである。

以下本発明に係る装置を、そのいくつかの実施例を示す
図面に基づいて詳細に説明する。

第１図は、本発明装置に用いる複数個の気密与圧室を有
する装置の−実施例の、液体タービン部分を含む断面図
で、図では２つの気密与圧室を並置した例が示してあり
、貯液槽を固定せず該貯液槽が浮動する方式のものであ
る。

図において、１は底部が水中に開□した鋼板などにより
作られた箱体で、紙面に直角方向に適宜の長さを有し「
図面横方向の中は波動の平均波長とほぼ同一とし、その
内部は中仕切板２によって２つの気密与圧室３と気密与
圧室４とに隔てられている。６と６は上部が気密与圧室
内に閉口した液体を収蔵する貯液槽で、紙面に直角方向
に箱体１よりや）短く作られ、両貯液槽はその底部に浮
力付与体７を有し「その浮力は貯液槽中に液体が充満し
たときも貯液槽が沈没しない程度の浮力をもつものとし
、さらに上下浮動を円滑ならしめるため、適宜個数の滑
車８をその側面に取付けている。

９，ＩＱ，１１，１２は導管で、それぞれの一端に弁機
構１３，１４，１５，１６を有し、他端は液体タービン
１７に連結されている。

液体タービン１７及び各導管と液体タービンとの連結方
式は、理解をし易くするため図においては模式的に表示
してあるが、実施するにあたっては公知の工学的方法に
従って変更して差支えない。例えば、図では各導管はそ
れぞれ液体タービンに別々に連結されているが、第２図
に示すように導管９と１０を一体とした上液体タービン
の流入口側に連結し、また図示はしていないが、液体タ
ービンの排出口側に導管１５と１６とを一体とした上達
結してもよい。液体タービンの回転軸は図において紙面
に直角方向に設置されているが、これもこの方向に限ら
れるものではなく、さらに液体タービンを箱体１の上部
に設置すれば、修理を必要とするとき都合がよい。以上
のように構成製作された本発明に用いる装置は、貯液槽
内の適量の液体を入れ、箱体の上半部が波動水面上に突
出し、図面の横方向が波動の進行方向と一致するような
向きに浮べ、所要の長さと強度をもつ鋼素または鎖１８
によって水底１９に繁定して浮設する。つぎに、以上の
ように製作して波動水面上に浮段された、本発明に使用
する装置の作動について説明する。

装置の外側には仮想線Ｗで示した波動があり、矢印方向
に向って進行するものとする。前述したように、装置の
図における機中は、波動の波長とほぼ等しいように設計
製作されているから、１つの気密与圧室についてみれば
１／２皮長に相当し、従って波動の進行に伴って装置外
側の波動水面が上下するとき、両気密与圧室内の水には
それに応じて正負反対方向の力がそれぞれ受けることに
なる。いま、気密与圧室の一部に外気に通じる穴が開い
ているとすれば、室内の水面は外観の波動水面の上下に
応じて自由に上下するが、本発明装置の場合は気密に作
られているため、気密与圧室内の空気は外側の波動水面
の上下に応じて、内部に収蔵した貯液槽の上下動と同時
に圧縮される方向あるいは減圧される方向の力を受ける
ことになる。第１図の実施例の場合〜 ２つの気密与圧
室が隣接して設けられているので、一方の気密与圧室内
の貯液槽が上昇し、しかも該室内の空気が圧縮方向の力
を受けるとき、他方の気密与圧室内の貯液槽は下降し、
しかも該室内の空気は減圧される方向に力を受けること
になり、それによるそれぞれの液面並びに空気圧の変動
による力は貯液槽中に収蔵されている液体面に作用する
ことによる。

そこで図示した状態のとき、気密与圧室３中の空気は圧
縮され気密与圧室４中の空気は減圧され、これらの力が
貯液槽中の液体面に作用しているから「両貯液槽間の液
面差並びに両気密与圧室間の気圧差のため、貯液槽５中
の液体は弁機構１３を通って導管９中に液体流を作り、
液体タービン１７を駆動したのち導管１２と弁機構１６
を経て狩液槽６中に移動する。つぎに、装置外側の波動
が矢印方向に進行して、気密与圧室３中の貯液槽が降下
し、且つ該室３中の空気が減圧方向に、気密与圧室４中
の貯液槽が上昇し、且つ該室４中の空気が加圧方向にそ
れぞれ変化すると、両室間の液面差並びに気圧差が逆転
するので、貯液槽６中の液体は前記と逆に弁機構１４を
通って導管１０中に液体流を作り、液体タービンを駆動
したのち導管１１と弁機構１５を経て貯液槽３中に復帰
する。又、第１図図示の実施例では、両貯液槽間の液面
差並びに両気密与圧室間の気圧差により両貯液槽間の液
体面の間に、最終的には貯液槽の液面並びに気圧差につ
り合った高さの液面差を生ずる。

そして装置外側の波動が移動して、両気密与圧室間に於
ける貯液槽の昇降並びに両気密与圧室間の気圧差が逆転
し始めると、両貯液槽間にはこの液面差のため液体流が
起こり、貯液槽の昇降並びに両気密与圧室間の気圧差が
未だ完全に逆転して反対方向に空気圧の力が働くに至ら
なくとも、それにより図面に即していえば貯液槽６から
弁機構１４を通じ導管１０中に液体流を作り、液体ター
ビンを駆動したのち導管１１と弁機構１５を経て貯液槽
５中に液体を復帰せしめるのである。そして貯液槽の昇
降並びに両気密与圧室の空気圧が完全に逆転の方向に向
えば、前述した液面差並びに空気圧の作用により導管１
０中に、液体流が持続し、貯液槽５中の液面は上昇を続
け貯液槽６中の液面よりだんだん高くなり、最終的には
再び両室の気圧差につり合った高さになる液面差を両貯
液槽間に作ることになる。この液面差による液体流の発
生は、波動のような一種の振動現象が、一方の向きから
逆の向きにその運動方向を変える際の休止期間に、液体
タービンの回転を止めることなくタービンの回転を円滑
に持続するという重要な作用を果すものである。特に、
本発明に於いては、貯液槽自体が浮力を有し気密与圧室
内の水面の上下と共に浮動するから、前述した両気密与
圧室間の気圧差による液体の移動に加えて、特有の作用
が重量的に働くものである。

いま図面をはなれて、まず両貯液槽中に同量の液体が収
蔵されていて、静水面においた時両者の液面が同じであ
るとすると、外側に波動の山部分が接近して、気密与圧
室３中の水面が上昇し気密与圧室４中の水面が下降し始
めると、貯液槽５は水面と共に上昇し、貯液槽６は水面
と共に下降し、両貯液槽に収蔵されている液体の液面間
に液面差が生ずる。この液面差により貯液槽５より貯液
槽６に向かう液体流が発生し、前述した両気密与圧室間
の気圧差により生ずる液体流の速度は一層加速されるこ
とになる。さらにまた、両貯液槽は気密与圧室内の水中
で浮動するものであり、液体の流出する側の貯液槽５は
液体の減った分だけ浮力が増すから気密与圧室３中の水
面からそれに応じて浮上し、液体の流入する側の貯液槽
は浮力が減るので気密与圧室４中の水面中にそれに応じ
て沈下することとなり、液面差により生ずる液体流の持
続および両気密与圧室間の気圧差の増大に寄与すること
による。そして気密与圧室３側で波動の最大上昇時には
、丁度第１図に図示する如き位置となり、以後気密与圧
室３側の貯液槽は室内の水面と共に下降し始め、反対に
気密与圧室４側の貯液槽は室内の水面と共に上昇し始め
るが、この方向に逆転する瞬間といえども貯液槽５から
貯液槽６へかけての液体流は休止することなく、液体タ
ービンの駆動が停止することはない。そして再び両貯液
槽間の液面差がなくなり、両気密与圧室間の気圧差によ
る空気圧の力が逆転して作用する時点からは、さきの説
明のごとく、気圧差による空気圧の作用と液面差とが共
に働くことになり、貯液槽６側から貯液槽５側に向けて
導管中を液体流が流れ液体タービンを駆動する。斯様に
本実施例は、波動サイクルの位相如何に拘らず常に導管
中にはいずれかの方向に液体流が作り出されることにな
り、極めて効果的に液体タービンを駆動するものである
。第１図図示の実施例においては、気圧差による液体流
に加えて液面差の作用によるものが大きく寄与するから
、排出側の導管１１及び１２の弁機構に近い方を、図示
のように相対的に太くすると導管９及び導管１０中の液
体流を加速するのに効果的である。以上の説明は２つの
気密与圧室を並置したものについて行ったが、それぞれ
に貯液槽を有する気密与圧室を多数に設置し、波動面の
上下より生ずる液面差並びに圧力変動が正方向の気密与
圧室の中の貯液槽から、液面差並びに圧力変動が負の方
向となる気密与圧室の中の貯液槽に向けて弁機構をもつ
導管中に液体流を作り、この液体流によつて液体タービ
ンを駆動すれば、さらに大量のエネルギーを抽出するこ
とができる。

また、貯液槽をもつ気密与圧室の中を波動の１′金皮長
中とし、複数個のかかる気密与圧室を波動の１′２皮長
の間隔をへだて）浮設し、それぞれの気密与圧室内の貯
液槽からの導管を液体タービンに連結しても同機に良好
な結果を得ることができる。つぎに第２図に示す実施例
は、単一の気密与圧室を有するものであり、効率は前記
実施例に比べて劣るもの）、構成が簡単であり本発明装
置の範囲中に含まれるものである。

第２図図中において、第１図と同じ機能を有する部分は
同じ符号が付してあり、第２図において２川ま緩衝用ば
ね、２１は弾性体である。この実施例は、さきの第亀図
図示の実施例を仮に閉鎖型液体系と呼ぶならば、開放型
液体液ともいうべきものであり、気密与圧室内の気圧変
化という大気圧との間の気圧差と、気密与圧室内の貯液
槽中の液体面と外部の波動面との間の液面差の両方によ
り、第１図について説明したのと同じ作用を生じ」導管
中に液体流を作り液体タービンを駆動するものである。
第官図図示の実施例をブッシュ・ブル型とすれば、第２
図図示のものはシングル型であり、従って、ブッシュ・
ブル型のものほどは大量のエネルギーを取り出し得ない
が、構成が簡単であるという利点がある。なお、台風な
どのような荒天時には気密与圧室内の空気を抜いて装置
全体を水底に沈め、台風通過後空気を注入して浮上せし
めてそのま）運転を再開できる点においては、両者に差
異はない。緩衝用ばね２０と弾性体２１は、予想外の荒
天時に貯液槽が箱体の天井に当って装置の故障を起すこ
とを予防するためのものである。以上詳述したように、
本発明装置では波動水面の上下動により生ずる気密与圧
室内の気圧変化と、貯液槽内の液体の液面差とを利用し
て導管中に液体の高速流を作り、これによって液体ター
ビンを駆動して波動中のエネルギーを抽出するものであ
るから、以下に述べるような優れた効果を得ることがで
きる。

まず第１に本発明装置におて、タービンを駆動するエネ
ルギー搬送媒体として使用するものは、空気に比べては
るかに密度の高い液体であるから、仮に導管中を動速度
で同量のエネルギー搬送媒体が流れるものとすれば、本
発明装置の方が公知の空気タービン方式に比し、はるか
に多量のエネルギーを搬送して効率良くタービンを駆動
し得ることになる。このことは、運動体のもつ運動量（
エネルギー）は１′２のＶ２（ｍは質量、Ｖは速度）の
公式で表さることからしても（海水の単位容量当りの質
量は空気に比べてほぼ８０“苔以上にもなる）、エネル
ギー搬送媒体として液体を使用する本発明装置が、以下
に効率良くエネルギーを搬送してタービンを駆動し、波
動中にエネルギーを抽出し得るか明らかであろう。公知
の空気タービン方式は「気密与圧室内で圧縮された空気
と大気圧との間の気圧差を利用するものであるにすぎな
い。その意味で、前述した本発明装置の実施例に即して
いえば、それは効率の劣る第２図の例と同様のシングル
型であるが、本発明装置においては第２図図示の実施例
といえども「 タービン駆動のためのエネルギー搬送媒
体として液体を用いているため、空気タービン方式に比
して格段に効率良く作動するものである。

つぎに、本発明装置では貯液槽相互間の液体の液面差、
あるし、は貯液槽内の液体面と外部波動面との間の液面
差によって生ずる導管中の液体流が大きな効果を発揮す
る。

この液面差による液体流は、空気タービン方式にあって
は望み得ないものであり、本発明装置に特有のものであ
る。この液面差による液体流は、気密与圧室によって生
ずる気圧差のため、導管中に流れる液体流の速度を重量
的に加速する作用を有するばかりでなく、さらに重量な
効果は、波動のような一種の振動現象が、一方の向きか
ら逆の向きにその運動を変える際の若干の休止期間とい
えども、液体タービンの回転を止めることがないという
ことである。そのため、液体タービに付設するフライホ
イールはそれだけ小さいものですむから、運転開始時の
イナーシャは小さくてすみ、また速やかに定速回転に入
れることになるのみならず、円滑なタービン回転を得る
ことができる。さらに、第１図に示した複数の与圧気密
室を有するような態様で本発明装置を実施するときは、
複数の気密与圧室内の空気の加圧、減圧の気圧差が相乗
的に働くため、導管中を流れる液体流の速度はさらに加
速され、運動エネルギーは速度の２乗に比例するため液
体タービンを駆動する力はそれだけ大きくなる。

また、この実施態様は閉鎖型液体系であるから、貯液槽
中に腐蝕性の少ない比重の大きい液体を収蔵すれば、液
面差による液体流の速度をその分だけ加速できる。本発
明に使用する装置は、液体タービン以外は特にとり立て
ていうほど機械的部分がないから、機械的機構によるエ
ネルギー損失は皆無に近く、また一旦談遺した後は特別
な保守を必要とせず運転も簡単である。

なお、貯液槽中の液体として海水を用いれば「台風等の
異状時には気密与圧室内の空気を抜いて装置全体を海中
に潜没させ、天候回復後空気を注入して再浮上されて、
そのま）容易に再び正常な作動を開始できる効果がある
。さらに、本発明に用いる装置を適当な沖合し・に設置
して本発明装置を実施するときは、波動中に含まれて波
動を生ぜしめているエネルギーは、効率良く該装置によ
って吸収抽出されてタービンの回転エネルギーに変り、
さらに電力のような有用な他のエネルギーに変換される
結果、本発明実施の副時的効果として、装置を設置した
箇所を通過した波動は、その有する大部分のエネルギー
を失い減衰してしまうことである。従って、本発明に用
いる装置を設置した箇所から浜辺までの吸面は極めて波
静かな静吸面となり、海上プラント等の構造物の設置、
水産養殖事業、ヨットハーバーその他の用途に供するこ
とができる。勿論、波動は水面から完全に消滅してしま
うものではなく、装置の下方をくぐりぬけて来た波動運
動のもととなる水粒子の円運動のため、若干の波動はな
お残存することになる。これをさらに防ぐため、各実施
例の図に見られるように、装置後方の下端に箱体１の長
手方向に沿つ、適宜の長さを有する金網２２をその下端
に車錐２３を付して吊せば、装置下方をくぐりぬけてく
る水粒子の円運動は断ち切られ、あるいはかく乱され「
その結果として装置後方水面に残存する波動はさらに小
さくなる。この金網２２は消波に役立つばかりでなく、
かき等の貝類やのりなどの養殖媒体としても有効に使用
し得るものである。以上、本発明についていくつかの実
施例をあげてその作用と効果を詳述したが、本発明の実
施態様は以上の実施例に限られるものではなく、いうま
でもなく請求範囲内での各種の態様で実施し得ること勿
論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る波動エネルギーの変換装置の一実
施例を示す断面説明図、第２図は他の実施例を示す断面
説明図である。 １は箱体、２は中仕切板、３と４は気密与圧室、５と６
は貯液槽、７は浮力付与体、８は滑車、９〜１２は導管
、１３〜１６は弁機構、１７は液体タービン、１８は鋼
素、１９は水底、２０は緩衝用ばね、２１は弾性体、２
２は金網、２３は垂錐である。 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 底部を水中に開口して波動水面上に浮設された気密
   与圧室中に、液体を収蔵する貯液槽を上下動自在に浮設
   し、該気密与圧室内貯液槽と、この気密与圧室外に存す
   る液体又は他の気密与圧室内に設けられる貯液槽内液体
   との間に連通した導管中に液体流を生ぜしめるようにな
   すと共に該液体流をもって液体タービンを駆動せしめる
   ようにしたことを特徴とする液体タービンを用いる波動
   エネルギーの変換装置。