JP2004286005A - 消波装置を兼ねる浮遊式波力発電装置 - Google Patents

Abstract

【目的】本発明は、、設置しやすく、コストも比較的安価で、しかも波の上下波、進行波の何方もエネルギーに変換できて効率も高く、これを設置することで消波の効果もある、実用化に最も近い消波装置を兼ねる浮遊式波力発電装置を提供する。
【構成】アーム（６）の先端の軸（１３）を浮体に設置している油圧用の揺動モーター（１７）の軸に連結し、発生する油圧のエネルギーを油圧モーター（２６）に送り、増速機構（２７）で回転を上げ一方向クラッチ（２８）を通じてフライホイール（２９）を回し、同軸上に空気タービン（３０）と発電機（３１）が取り付けてある。以上の空気タービンと油圧モーターを同軸上で働かせる構成である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】〔産業上の利用分野〕この発明は波力発電に係わり、波力の進行波、上下波の何方をもエネルギーに変換する消波装置を兼ねる浮遊式波力発電装置と波力発電用のハイブリットタービンシステムに関するものである。
【０００２】〔従来の技術〕従来の波力発電に関する技術に関しては、国内外で数々の発明が成されて来ているが、第一は数十年も前から波の上下運動を利用する振動水柱形（ＯＷＣ）と呼ばれる空気室によってもたらされる圧縮空気流と負圧空気流を、ウエールズタービンを中心とする空気タービンにより回転運動に替えて発電するものが主流となっている。この方式は保守の面では優れているが空気タービンの効率が低いのが難点で、しかも上下波だけの利用であった。
【０００３】第二は、これも数十年も前から国内の国立大学において研究されて来ている進行波（前後運動）を利用した水流形の振り子式と呼ばれる構造のもので、振り子板が進行波に押され、後壁からの反射波で前後に運動することを利用し、板の軸の部分に油圧のピストン又は揺動モーターを設置し、そこで発生する油圧のエネルギーを配管を通して油圧モーターに送りその回転を増速して発電機を回すものである。この方式は、保守、施設費はともかく比較的エネルギー効率は高いといわているが、進行波と反射波の利用だけに止まっている。
【０００４】その他、おれ曲げ運動を利用したコッカレルのいかだ式とか受圧面形と呼ばれる海水の圧力を利用する特殊な物もある。基本的には波の上下動や進行波と呼ばれる打ち寄せる波の力を利用するものが一般的なものであるが、コストの面などから今現在商業ベースにのる実用化されたものはない。又、波の上下波と進行波を一つの装置で吸収できる装置も存在しなかった。
環境問題などの面からクリーンでなんらの害も予測されない自然エネルギーとして期待されている波力発電は、先人らの努力により色々な発明や設計図面などが見かけられてはいるが、何れにせよ、コストを下げ、効率を高めて商業上採算が合う様にならなければ実験の域を出ることができないのが現状である。
【０００５】〔発明が解決しようとする課題〕本発明は、そのような現状を打開すべく、設置しやすく、コストも比較的安価で、しかも上下波、進行波の何方もエネルギー変換することで効率も高く、これを設置することで消波の効果も出る実用化に最も近い波力装置をつくるのが課題であった。
【０００６】〔課題を解決するための手段〕そのために、本発明者らは既に一次変換装置からもたらされる圧縮空気流と負圧空気流の何方もエネルギー変換できる二次変換装置としての波力タービンを、大きく分けると二種類発明し、試作実験を行い成功をおさめている。波力タービンについては、無弁式については、特願平１０−２９７５４５、特願平１１−７４３０４、特願平１１−３４３７５６、弁箱式については特願２００１−２５２１４１等に詳細に述べてある。一部旭川工業高等専門学校において効率試験も済み、特に低速域での効率の高さを実証していただいた。本発明の空気タービンを使用する形式の浮体（請求項１）は、波の上下動を利用する振動水柱形として、浮室のついた空気室を持つ浮体（１）で固定装置（１６）の支柱（９）から伸びるアーム（６）の先端の固定軸（１３）によって海の中に係留されるものである。
【０００７】以上の浮体の上に、、アームの先端の固定軸を浮体に設置されている油圧用の揺動モーター（１７）の軸に連結、又は同軸とし、浮体が揺れることにより発生する油圧のエネルギーを油圧モーター（２６）に送り、増速機構（２７）で回転を上げ一方向クラッチ（２８）を通じてフライホイール（２９）を回す。フライホイールの同軸上には先程述べた、本発明者らが発明してきた無弁式の波力用の空気タービン（３０）と発電機（３１）が取り付けてある。油圧の回路についてはチェック弁（２２）が複数必要で、揺動モーターの油タンク（２５）からの油の吸引、油圧モーターへの圧力油の送りを制御し、常に油圧モーターの入り口に圧力油がまわる様な設計にしてある（図９に油圧回路と空気タービンの配置を示す）。リリース弁とかアキュムレータ（２４）など個別の油圧の技術も場合により必要になるが既存の技術なので省略する。以上の空気タービンと油圧モーターを同軸上で働かせることで課題解決の基本的手段とする。油圧の回路は図８、図９に示す。（請求項１。図１は岩礁に設置した場合の斜視図。図３、４は進行波、反射波による作動を示す図。図５は浮室と空気室の構造を示す断面図）
【０００８】請求項２の空気室を持たない、アームの先端の固定軸によって係留される全体として浮室の浮体（４１）の場合は、アームの先端の固定軸を浮体に設置してある揺動モーターに連結し、アームの付け根の固定軸（８）を支柱の先端に設置してある揺動モーター（１７）に連結、又は同軸とする。浮体が、上下、前後に揺さぶられる事により固定軸が揺動モーターを駆動して得られる圧力油を配管路を通して、別個に設けた機械室の中の油圧機構である油圧モーターに送り増速機構で回転を高め、一方向クラッチを通してフライホイールを回す。フライホイールが同軸上の発電機を回しつづける。別々の箇所に設置された揺動モーターが、上下波、進行波の性質の違う運動を吸収する。やはり何方か一方だけのエネルギーだけを対象としていたものより高いエネルギー変換効率を見込むことができる。（請求項２）図２は、防波堤（１８）に設置された浮遊式波力発電装置の斜視図である。又、油圧の回路は図１０に示した。位相をかえた油圧モーターを発電機の両サイドに取り付ける方式にしてあるが、配管路をまとめたりして色々な設計が可能である。
【０００９】固定装置（１６）については、アームの重量が全て浮体にかかるのを防ぐ為に支柱の上のアーム取り付け部（４）を中心にしてアームの反対側に重り（７）を設けてバランスをとることにした。又、支柱カバー（１０）の中に支柱を入れてアームの方向をかえることができるようにした。更に、アームと支柱を伸び縮みできる構造とした。（請求項３）（請求項７〕
【００１０】請求項１の空気室付きの浮体（１）の場合は、防波堤等の壁面に設置する場合には、壁面にレール（２０）を取り付けてスライドする固定装置のアーム（１９）で係留する事もできる。（請求項４、図６）この場合に固定装置のアームの重量が浮体に掛かりすぎるときは、レールの上に横向き、又は縦向きに滑車となるプーリーをつけて、ワイヤーなどで反対側に重りを付けてぶら下げることで調節すればよい。その過程の中で一定以上の高波に対処する為に、一定以上で止まってしまうようにしたほうが良いのは請求項８と同じ事である。
【００１１】本発明の請求項１の波の上下動を利用する空気室付き浮体で空気タービンを使用する方式と波の進行波を利用する振り子式で油圧システムを使用する方式を一つの装置で行なう為に、油タンクや一個以上の揺動モータ（１７）と複数のチエック弁（２２）を有し、リリース弁やアキュムレータ（２４）なども必要に応じて用いた油圧機構で油圧モーター回し、増速機構を一方向クラッチに連結してフライホイールを回し、同軸上の空気タービン、発電機を一軸（４３）として作動させる構造を持つ浮遊式波力発電用のハイブリットタービンシステムそのものも今回の発明である。（請求項５。図７に機械室のイメジーを示す正面図を示した）
【００１２】現在までは、浮遊式にあっては空気タービンを使用し、海底から係留されるブイ式が代表的であったので、固定装置の支柱から伸びた一本以上のアームの先端の軸によって支えられる請求項１、２の浮遊式にして油圧装置のついた一次変換装置そのものも今回の発明である。（請求項６）
【００１３】台風や津波、不意の高波などで装置が破壊される事を避ける為に、請求項３、４のアームの付いた固定装置には、アームの角度が一定以上の高さになると、アームに付けたバー（３９）がバネの付いたフック（４０）で止まる事により固定されてしまう浮遊式波力発電装置の固定装置も開発した。（請求項８）更に、請求項２の場合上下波の吸収は、アームの付け根の支柱の先端に設置された油圧機器の揺動モーターであり、揺動モーター付き固定装置としての発明である。単なる浮体とこの装置単独だけでも上下波動は吸収できる。（請求項９）
【００１４】〔作用〕本発明は以上述べてきたように、波の上下流を利用する浮体式のＯＷＣ振動水柱形一次変換装置を、固定装置から伸びたアームの先端の固定軸（１３）により係留することにより、空気室から発生する圧縮空気流と負圧空気流を空気室（１４）と配管（３２）で結んだ空気タービン（３０）で回転にかえるのと、アームの先端の固定軸を浮体部分に設置してある揺動モーターに連結又は直接軸とすることで発する圧力油を油圧モーターに送り回転にかえ増速して発電機を回すというのを同軸上で行い、波のエネルギーである上下波動と進行波動の両方を一つの一次変換装置で総合的に吸収することができる。
【００１５】請求項１の浮遊式浮体付きの空気室において発生する空気流について説明すれば、波の上昇時、浮体も一緒に持ち上がり、頂点に達するとき浮体は慣性で上に上がろうとしているのに波は下がりはじめる。その際、空気室内に負圧が発生し大気が空気室に吸引される。逆に、波が下がると、同時に浮体も下降し、最下点に達するとき、浮体は慣性で下降を続けようとするのに波は上昇を開始はじめる。その際、空気室内に圧縮流が発生し空気室から吹き出される。その、圧縮、負圧空気流を何方も一方向回転管するタービンを通してエネルギー変換するのである。
【００１６】油圧装置の働きについて説明すれば、固定部分から伸びたアームの先端の固定軸を浮体に設置した油圧の揺動モーターの軸に連結してあるので、浮体が進行波に押されたり、反射波で押し戻されたりして前後に揺れると、その全体に掛かる力は係留してある軸一点に集約され、アームの軸が固定してある揺動モーターの軸として左右に揺動する（図３、図４参照）。その際揺動モーターから発生する圧力油をチェック弁で制御して常に油圧モーターの入り口に行くように管路を設計してあるので、何方に揺れても一定方向にモーターを回す（図８、図９参照。尚、増速機構やフライホイールは省略）。チェック弁は揺動モーター一個あたり４個あれば、二個は油圧モーターに送る方に向けて、もう二個は油タンクから揺動モーターに向ける方向に設置すれば制御することができる。
【００１７】請求項１型では、以上述べて来た作用が絶え間なく起こり、上下波は、空気室から空気タービンで回転に変換され、進行波は、揺動モーターで油圧回路で油圧モーターに送られて回転に変換され、それぞれ発電機を回すエネルギーとして吸収される。以上のように本装置は、消波装置でもあり、見方をかえると消波の余祿に電気が生まれるということにもなる。
【００１８】請求項２型では、空気室の無い単なる全体が浮室構造（４１）のものに、アームと固定軸と油圧の揺動モーターの関係だけは請求項１と同じにし、アームの付け根の固定軸（８）を、支柱の先端に設置された揺動モーターにも連結又は同軸とし、それぞれの配管路で圧油を別個に設置した機械室に送り、チェック弁で制御して何方も油圧モーターの入り口に一定に入れて回転に変換して発電機を回す。油圧の回路は図１０に示してあるが、これは位相をかえた油圧モーターを発電機の両側に配置した形式に設計してある。回路の設計は色々設計が可能である。この形式において上下波はアームの付け根に作用するので、その部分の揺動モーターで吸収される。進行波は浮体とアームの先端の固定軸に作用して浮体を前後に揺らし、その部分に取り付けた揺動モーターで吸収される。（図２。図３、４も参照）消波の効果は請求項１と同じ事である。
【００１９】固定装置についてまとめて述べると、支柱やアームが伸び縮みするのは現場に置いて設置する際に高低や水平面において柔軟に対応できるようにする為であり、支柱を中心にアームの反対側に重りをつけるのは、アームの重量がかかって浮体の浮力を越えて沈み込むことのないようにバランスをとるためである。又、支柱カバーの中で支柱が回転できるようにしたのは、方向において柔軟に対処できる様にしたもので、更に設置や故障や保守の際に海側から陸側に回し、陸や浅瀬で安全に作業する為にも役立つ。その際、アームをジャッキなどで持ち上げて高波用のアームについているバーと支柱のフックで上に固定するとよい。反対にアームを下に降ろす際は、ジャッキ等でアームを持ち上げて、フックをはずしジャッキを少しづつ降ろせば良い。何れの伸縮、回転装置も、位置が決まれば、ボルトなどで固定するものである。尚、取り付ける現場が決まっていて、支柱やアームの長さを初めから計測出来る場合は、伸縮や回転の機能は必要で無く経済面からも固定式でよい。支柱カバーを第一段の支柱として使用して、中に支柱を入れれば二段式になり、二段式の支柱を入れれば三段式の支柱になる。
【００２０】請求項４のレールのスライド式の固定部分は、波の上下動、潮の満ち引きに対応できる様にしたものである。上下動は固定した装置で吸収したほうが効率が高いと思われるが、潮の満ち引きまで考慮すると装置が大きくなりすぎて莫大な経費が掛かるので浮遊式とした。レールでスライドさせる事で潮の満ち引きの問題は解消された。請求項１などのアーム式の場合に支柱のアーム取り付け部（４）のアームの付け根に固定軸を設置してアームが上下に動かせるのも全く同じ理由である。又、近年色々計画されているウオーターフロント等に取り付ける場合は、潮の満ち引きは関係ないので、フロントの縁に直接固定して取り付けることができる。
【００２１】〔実施例〕本発明における油圧のエネルギー吸収装置としては、揺動モーターということで書き示してきたが、揺れに対して伸び縮みする油圧シリンダーを二本代用する事でも同様の効果を発揮することができる。進行波の揺れを利用する振り子式として長年研究されてきた当初は、油圧シリンダーが用いられていた様であるが、設置や作動の面で揺動モーターを使用するように進化し、実績もあるのでここでも揺動モーターということにしたのである。
【００２２】請求項１の機械装置装置について述べると、発電機を中央に設置し左右に空気タービン、フライホイールと油圧システムと配置しても同じことである。又、浮体の両サイドのアームの固定軸に揺動モーターをそれぞれ設置し配管を合流させて圧油を油圧モーターに送っても良い。本発明者らは、気圧の差で作動するシンプルな弁箱で相反する空気流を一方向に送ることの出来る空気整流装置も発明していて、これによれば反動、衝動等の軸流タービンや遠心式タービン等あらゆるタービンが使用できる。又、他にもいろいろな形式の波力タービンが開発されているので、こちらを使用する場合は、油圧系と空気タービン系にわけて発電機を設置し、発生電気を合流させるということで同様に波力を吸収できる。
【００２３】請求項２の浮体の場合、特に浮室部分を制作する必要が無く、全体が浮体であるので設計的に制約がなく、図２、図１０に示す様に進行波を受けやすいようにへこませる設計も有効である。請求項１においても、２においても浮室部分は空気を閉じ込めることで制作できるが、万一の浸水に備えて発泡ウレタンのようなものを充填しておくと、穴が開いても水が入らないので沈むことはない。制作にあたっては、骨材の上に耐塩性の金属板を張るとか、ＦＲＰ、フエロセメントなどで、予算に制約があれば鉄板に耐塩性の塗料を塗っても制作しうる。
【００２４】固定装置については、基礎と支柱カバーと支柱とその先の軸で繋がれるアーム部分に別れる。基礎（１１）部分は、設置する場所に応じて、岩礁（１５）の上に鉄筋入りのコンクリートで制作したり（図１）、防波堤（１８）の上に設置（図６）したり、海の中にヒューム管（３３）等を立てて（図５）、中に比重の重い金属片や砂利、コンクリート等（３８）を流しこんで制作できる。その基礎に支柱カバーにフランジ（３５）を付けてボルト（１２）等で取り付けることになるが、基礎を制作途中に支柱カバーを差し込んでコンクリートで固めてしまうことも可能だ。又、アームや支柱の伸縮、支柱が支柱カバーの中で回転する所は、予算が有れば、全て別個に設置した油圧装置の油圧アクチュエーターで作動させることもできる。
【００２５】アーム部分について述べれば、通常は浮体の両サイドに一本づつの二本のアームで係留することになるが、支柱を回転させるのは支柱が二本あると困難なので、図１に示したように支柱一本から一本のアームが伸び、途中で二本に分けて（５）浮体の両サイドに回すという方式にしている。回転できるメリットは先に述べたが、基礎が一つで済むことと、伸縮式の支柱とアームが一本づつで済むという利点が更にある。アームに付いているバーを支柱のフックで引っかけて上に吊り上げる方法は、バーの部分を多段式のギヤーにして、一定の高さから段々に最も高く持ち上げられた時の位置で止まるようにすることもできる。装置が高波で大きく上下に叩きつけられて破壊される事を防止できる。
【００２６】〔発明の効果〕本発明は、一つの装置で波の上下動と進行波の両方をマルチにエネルギー変換して電気を生み出すものなので、過去無かったエネルギーの変換効率を期待できると共に海の波を静めて様々な海域の利用を可能にする消波の効能もある。大規模な投資も必要無い。更に、既存の防波堤や岩礁などを利用して設置するのもアームや支柱の伸縮、回転などで自在で簡便にしてあり、大量生産やコスト面でも優れる。浮遊式にすることで、満潮、干潮の潮の差の問題も無く、予期せぬ大波から装置を保護する問題も解決できた。現場仕事の部分もあるが、工業生産に向くものなので、波力発電の実用化を押し進める貴重な発明になろうかと思う。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明、請求項１を岩礁を利用して設置した所の斜視図である。
【図２】本発明、請求項２を防波堤から設置した所の斜視図である。
【図３】本発明、請求項１の反射波による浮体の作動を示す図である。
【図４】本発明、請求項１の進行波による浮体の作動を示す図である。
【図５】本発明、請求項１の基礎と浮室と空気室の構造を示す断面図である。
【図６】本発明、請求項４の浮体がレールに沿って作動する断面図である。
【図７】本発明、請求項１の機械室の中を示す正面図である。
【図８】本発明、請求項１の油圧機構の管路と空気タービンの位置を示す図。
【図９】本発明、請求項１の油圧機構を簡略化した場合の図である。
【図１０】本発明、請求項２の浮体と油圧回路を示す図である。
【符号の説明】
（１）は浮遊式の空気室付き浮体 （２）は浮室 （３）は機械室 （４）はアーム取り付け部 （５）二つに割れたアームの先 （６）は伸縮式のアーム
（７）は重り （８）はアームの付け根の固定軸 （９）は伸縮式の支柱
（１０）は支柱カバー （１１）は基礎 （１２）はボルト （１３）はアームの先端の固定軸 （１４）は空気室 （１５）は岩礁 （１６）は全体として固定装置 （１７）は揺動モーター （１８）は防波堤 （１９）はスライド式固定装置のアーム （２０）はレール （２１）はアーム支持棒 （２２）はチェック弁 （２３）は油圧の配管 （２４）はアキュムレータ （２５）は油タンク （２６）は油圧モーター （２７）は増速機構 （２８）は一方向クラッチ （２９）はフライホイール （３０）は空気タービン （３１）は発電機 （３２）は空気室からの配管 （３３）はヒューム管の基礎 （３４）は空気出入り口 （３５）はフランジ （３６）はもどり管路 （３７）はポンプ吸込み管 （３８）は金属片、砂利、セメント等 （３９）はアームのバー
（４０）はバネ付きのフック （４２）は揺れ方向 （４３）はタービンの軸
（４４）はモーターの台 （４５）は発電機の台 （４６）は支柱の揺動モーター取り付け台 （４７）は波

Claims (9)

1. 浮体の固定装置である支柱から伸びた一本以上のアームの先端の固定軸が、揺動モーターの軸と連結されて係留される浮室付き空気室を一次変換装置とする波力発電用の浮体にして、その浮体である一次変換装置の上部に機械室を設置し、その中に、少なくとも一個以上の油圧用揺動モーターと複数のチェック弁からなる油圧機構に連結された油圧モーターと一軸で連結される空気タービンと発電機を備え、装置全体が波の進行波で前後に揺らされる事によりアームの先の軸が揺動モーターを駆動して発生する油圧のエネルギーを油圧モーターでエネルギー変換、更に空気室と配管で繋がっている同軸上の空気タービンと共に発電機を回して発電する事を特徴とする消波装置を兼ねる浮遊式波力発電装置。
2. 浮体の固定装置である支柱から伸びた一本以上のアームの先端の固定軸によって係留される浮体にして、アームの先端の固定軸が浮体に設置された一個以上の油圧用揺動モーターの軸に連結され、アームの付け根の固定軸も支柱に設置された油圧用揺動モーターの軸に連結されていて、別個に設置された機械室に複数のチェック弁や油圧モーター発電機からなる油圧機構の発電装置を備え、浮体が波の進行波で前後に揺れたり、上下波で上下に揺れる事によってそれぞれの軸が揺動モーター駆動することにより発生する油圧のエネルギーを配管を通して油圧モーターに伝えて回転エネルギーに変換して発電する事を特徴とする消波装置を兼ねる浮遊式波力発電装置。
3. 請求項１、２の固定装置にして、基礎の上に設置される支柱カバーの中に伸び縮み出来る支柱があり、その上に軸で上下に動く事の出来る伸び縮みするアームを取り付け、軸を中心としてアームの反対側にアームの重量を吸収できる重りが付いている事を特徴とする浮遊式波力発電装置の固定装置。
4. 請求項１の固定装置にして、壁面に設置されたレールに沿って上下にスライドするアームを特徴とする浮遊式波力発電装置の固定装置。
5. 油タンクや一個以上の揺動モータと複数のチエック弁を有する油圧機構で、油圧モーターは増速機構と一方向クラッチと連結、、フライホイールと空気タービン、発電機を一軸として作動させる構造を特徴とする浮遊式波力発電用のタービンシステム。
6. 固定装置から伸びる一本以上のアームの先端の固定軸によって係留される請求項１、２の浮遊式にして油圧装置のついた波力の一次変換装置。
7. 請求項３のアームの付いた固定装置にして、支柱カバーの中で支柱を動かせ、アームが回転できる事を特徴とする浮遊式波力発電装置の固定装置。
8. 請求項３、７のアームの付いた固定装置にして、アームの角度が一定以上の高さになると、アームに付けたバーがバネの付いたフックに引っかかる事により固定されてしまうことを特徴とする浮遊式波力発電装置の固定装置。
9. 請求項２、３、７、８のアームの付け根の固定軸を支柱に設置した油圧装置である揺動モーターの軸に連結した固定装置。

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