波力発電システム
【課題】容易に設置可能で、かつ、波力発電を効率的に行うことができる波力発電システムを提供する。
【解決手段】 本発明の波力発電システム（１０）は、防波堤（２０）と、防波堤（２０）に設けられた水車（３０）と、水車（３０）の回転と連動して回転する回転軸（４０）と、回転軸（４０）の回転に伴って発電を行う発電機（５０）とを備える。防波堤（２０）には、スリット（２０ｓ）およびスリット（２０ｓ）と連絡した遊水室（２０ｔ）が設けられており、水車（３０）はスリット（２０ｓ）および遊水室（２０ｔ）の少なくとも一方に設けられている。
【解決手段】 本発明の波力発電システム（１０）は、防波堤（２０）と、防波堤（２０）に設けられた水車（３０）と、水車（３０）の回転と連動して回転する回転軸（４０）と、回転軸（４０）の回転に伴って発電を行う発電機（５０）とを備える。防波堤（２０）には、スリット（２０ｓ）およびスリット（２０ｓ）と連絡した遊水室（２０ｔ）が設けられており、水車（３０）はスリット（２０ｓ）および遊水室（２０ｔ）の少なくとも一方に設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油などの化石燃料の枯渇、および、地球温暖化に代表されるような環境対策が深刻な問題として認識されるようになり、環境への影響の少ない再生可能エネルギー（自然エネルギー）を利用した発電が注目を集めている。これらのうち波力発電は、地球表面の７割もの領域を覆う海において発生する波力を利用するものであり、有力なエネルギー源として着目されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ジャイロ装置を備えた波力発電システムが記載されている。特許文献１の波力発電システムでは、波浪の揺れに応じて浮体が揺動し、発電機が駆動されて電力が発生する。
【０００４】
また、特許文献２には、消波堤を利用した波力発電装置が記載されている。特許文献２の波力発電装置では、消波堤に設けられた透水孔内に回転翼が設けられており、透水孔内を通過する水流のエネルギーを利用して発電が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２３１９６７号公報
【特許文献２】特開平７−２５２８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、船舶の航行安全や漁場確保の観点から、海洋に構造物を設置することが厳しく制限されている場合、特許文献１に開示された波力発電システムを設置できないことがある。また、特許文献２に開示された波力発電装置では、波力を有効に利用しておらず、十分な発電を行うことができない。
【０００７】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、容易に設置可能で、かつ、効率的に発電を行う波力発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による波力発電システムは、防波堤と、前記防波堤に設けられた水車と、前記水車の回転と連動して回転する回転軸と、前記回転軸の回転に伴って発電を行う発電機とを備え、前記防波堤には、スリットおよび前記スリットと連絡した遊水室が設けられており、前記水車は前記スリットおよび前記遊水室のうちの少なくとも一方に設けられている。
【０００９】
ある実施形態において、前記水車は、前記スリットを介して前記遊水室に流入する水の流れおよび前記スリットを介して前記遊水室から流出する水の流れの両方に応じて回転可能なように構成されている。
【００１０】
ある実施形態において、前記水車は、前記回転軸を回転させる複数の水車部を含む。
【００１１】
ある実施形態において、前記複数の水車部のそれぞれは水車翼を有しており、前記複数の水車部の前記水車翼は、前記回転軸に対して異なる位置に配置されている。
【００１２】
ある実施形態において、前記複数の水車部は、第１水車翼を有する第１水車部と、前記第１水車翼に対してほぼ１２０°異なる位置に配置された第２水車翼を有する第２水車部と、前記第２水車翼に対してほぼ１２０°異なる位置に配置された第３水車翼を有する第３水車部とを含む。
【００１３】
ある実施形態において、前記スリットの水平方向に沿った長さは、前記遊水室の水平方向に沿った長さよりも短い。
【００１４】
ある実施形態において、前記スリットの水平方向に沿った長さは、前記スリットの垂直方向に沿った長さよりも短い。
【００１５】
ある実施形態において、前記スリットの水平方向に沿った長さおよび垂直方向に沿った長さは、前記水車の水平方向に沿った長さおよび垂直方向に沿った長さと対応している。
【００１６】
ある実施形態において、前記回転軸は垂直方向に沿って配置されている。
【００１７】
ある実施形態において、前記水車はサボニウス型水車を含む。
【００１８】
ある実施形態において、前記防波堤は、前記スリットの設けられた前面を有しており、前記スリットの水平方向に沿った長さは、前記防波堤の前面のうちの前記スリットの設けられていない部分の水平方向に沿った長さの半分以下である。
【００１９】
ある実施形態において、前記防波堤には、複数のスリットと、前記複数のスリットとそれぞれと連絡した複数の遊水室が設けられており、前記波力発電システムは、前記複数のスリットに対応した複数の水車をさらに備える。
【００２０】
ある実施形態において、前記複数のスリット、前記複数の遊水室および前記複数の水車は、水平方向に配置されている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、容易に設置可能で、かつ、波力発電を効率的に行う波力発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による波力発電システムの実施形態を示す模式図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、本実施形態の波力発電システムにおける防波堤の上面からみた模式的な断面図、側面からみた模式的な断面図、および、模式的な正面図である。
【図３】本実施形態の波力発電システムにおける水車の模式的な上面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本実施形態の波力発電システムにおける水車の模式的な上面図および側面図である。
【図５】（ａ）は本実施形態の波力発電システムにおける水車を上面からみた模式的な断面図であり、（ｂ）は（ａ）の波力発電システムを側面からみた模式的な断面図であり、（ｃ）は（ａ）の波力発電システムの模式的な正面図である。
【図６】（ａ）は本実施形態の波力発電システムにおける防波堤を備えた造波水槽を示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）に示した造波水槽内における水流の速度ベクトルを表した模式図である。
【図７】（ａ）本実施形態の波力発電システムにおける動力を測定するための動力計測システムを示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面の模式図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は液面変位ｈ、角速度ω、トルクＴおよび動力Ｐのそれぞれの時間変化を示すグラフである。
【図９】（ａ）は平均トルクＴａに対する平均角速度ωａおよび平均動力Ｐａの変化を示すグラフであり、（ｂ）は波形勾配γに対する最大平均動力Ｐａｍａｘの変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明による波力発電システムの実施形態を説明する。だだし、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００２４】
図１に、本実施形態の波力発電システム１０の模式図を示す。波力発電システム１０は、防波堤２０と、防波堤２０に設けられた水車３０と、水車３０の回転に連動して回転する回転軸４０と、回転軸４０の回転に伴って発電を行う発電機５０とを備えている。水車３０は波によって形成される往復流に応じて回転する。水車３０の回転に伴って回転軸４０が回転し、回転軸４０の回転に伴い発電機５０が発電を行う。本明細書の以下の説明において、水車３０、回転軸４０および発電機５０を併せて発電ユニット６０と呼ぶことがある。
【００２５】
防波堤２０には、スリット２０ｓおよび遊水室２０ｔが設けられており、遊水室２０ｔはスリット２０ｓと連絡（連続）している。スリット２０ｓは、防波堤２０の前面（沖側）に設けられている。このため、スリット２０ｓおよび遊水室２０ｔの設けられた防波堤２０に対して波が衝突する場合、スリット２０ｓ近傍で発生する渦によって波のエネルギーが消散し、消波が行われる。
【００２６】
本実施形態の波力発電システム１０において、水車３０は、遊水室２０ｔ内に設けられているか、または、スリット２０ｓおよび遊水室２０ｔにまたがって設けられている。あるいは、スリット２０ｓの厚さが水車３０と比べて比較的大きい場合、水車３０は、スリット２０ｓに設けられていてもよい。このように、水車３０はスリット２０ｓおよび遊水室２０ｔのうちの少なくとも一方に設けられている。
【００２７】
波力発電システム１０では、防波堤２０に向かってくる波がスリット２０ｓに到達すると、スリット２０ｓおいて水流の方向が揃えられるとともに水流の速度が加速される。水車３０はこのような水流によって回転し、発電機５０は水車３０および回転軸４０の回転に伴って発電を行う。このため、波力発電システム１０は、波力を利用して発電を効率的に行うことできる。なお、一般に、発電出力は水流速度の３乗に比例するため、水流の加速により、発電出力を効率的に増大させることができる。防波堤２０の前面において、スリット２０ｓの水平方向に沿った長さに対して壁部分の水平方向に沿った長さの比率が大きいほどスリット２０ｓを介して流れる水流の速度を大きくすることができる。例えば、防波堤２０の前面において、壁部分とスリット２０ｓの水平方向の長さの比率が２：１の場合、スリット２０ｓを介して流れる水流の速度は約３倍となり、発電出力を約２７倍にすることができる。
【００２８】
また、スリット２０ｓを介して遊水室２０ｔに流入した水は、その後、スリット２０ｓを介して遊水室２０ｔから流出する。本実施形態の波力発電システム１０では、水車３０はスリット２０ｓを介して遊水室２０ｔから流出する水の流れも利用して発電を行うことができる。
【００２９】
例えば、発電機５０は、防波堤２０の上に設けられている。図１に示した波力発電システム１０では、水車３０、回転軸４０および発電機５０を設置する構造物として防波堤２０を利用しており、このような波力発電システム１０の防波堤２０として既存の防波堤を利用することができる。船舶の航行安全や漁場確保の観点から、海洋に構造物を設置することが厳しく制限されていることがあるが、この場合でも、防波堤２０とは別に海域を占有する構造物や浮体を設けなくてもよく、既存の防波堤を利用可能であるため、波力発電システム１０を設置するための許認可を得やすい。特に、国土面積に対して長大な海岸線を有する日本では、波力発電システム１０を用いる意義が大きい。また、波力発電システム１０は防波堤２０を利用して設置されるため、波力発電システム１０の部品点数を低減させ、発電システムの重量およびコストを抑制できる。
【００３０】
防波堤２０は陸地と連続していてもよく、あるいは、防波堤２０は陸地とは連続することなく海域に単離していてもよい。ただし、防波堤２０は、海岸線に比較的近い箇所に設置されることが好ましい。この場合、防波堤２０には、ほぼ一定方向に進行する波が衝突し、水車３０はこの波を効率的に利用して回転するため、発電を効率的に行うことができる。また、波力発電システム１０を海岸線に近い場所に設置した場合、送電を比較的容易に行うことができる。
【００３１】
なお、図１に示したように、正面方向から見た場合、スリット２０ｓは矩形状を有している。このようにスリット２０ｓが単純な形状を有している場合、水面にほぼ平行でかつ波の進行方向にほぼ垂直な方向に縮流が生成されるため、縮流生成時の損失を低減できると考えられる。また、スリット２０ｓの水平方向に沿った長さは、遊水室２０ｔの水平方向に沿った長さよりも短いことが好ましく、これにより、消波を適切に行うとともに遊水室２０ｔにおいて衝突する波のエネルギーを低減させることができる。なお、ここで、水平方向は、波が実質的にない状態における水面に沿った方向に相当する。
【００３２】
スリット２０ｓの水平方向に沿った長さは、防波堤２０の前面のうちのスリット２０ｓの設けられていない部分の水平方向に沿った長さの半分以下であることが好ましい。また、スリット２０ｓの水平方向に沿った長さは、スリット２０ｓの垂直方向に沿った長さよりも短いことが好ましい。このようなスリット２０ｓは縦長スリットとも呼ばれる。また、ここで、垂直方向は、重力の方向と平行な方向に相当する。
【００３３】
ここでは、スリット２０ｓの垂直方向に沿った長さは、スリット２０ｓの水平方向に沿った長さよりも大きく、また、水車３０の垂直方向に沿った長さは水車３０の水平方向に沿った長さよりも大きい。このように、スリット２０ｓの水平方向および垂直方向に沿った長さが水車３０の水平方向および垂直方向に沿った長さと対応することにより、スリット２０ｓにおいて加速された水流を水車３０の回転運動に効率的に変換することができる。例えば、スリット２０ｓの水平方向および垂直方向に沿った長さは、水車３０の水平方向および垂直方向に沿った長さとほぼ等しいことが好ましい。あるいは、スリット２０ｓの水平方向および垂直方向に沿った長さは、水車３０の水平方向および垂直方向に沿った長さよりも若干大きくてもよい。
【００３４】
以下、図２を参照して、波力発電システム１０における防波堤２０を説明する。図２（ａ）に防波堤２０の上面からみた模式的な断面図を示し、図２（ｂ）に防波堤２０の側面からみた模式的な断面図を示し、図２（ｃ）に防波堤２０の模式的な正面図を示す。
【００３５】
例えば、スリット２０ｓを正面方向から見た場合、スリット２０ｓの水平方向に沿った長さは、スリット２０ｓの垂直方向に沿った長さよりも短い。例えば、スリット２０ｓの水平方向に沿った長さは約５０ｃｍであり、スリット２０ｓの垂直方向に沿った長さは約４００ｃｍである。また、遊水室２０ｔの水平方向に沿った長さは約１７０ｃｍであり、遊水室２０ｔの垂直方向に沿った長さは約６００ｃｍである。
【００３６】
また、スリット２０ｓおよび遊水室２０ｔはそれぞれほぼ直方体形状であることが好ましい。これにより、スリット２０ｓの大きさを比較的大きくしても防波堤２０の強度が適切に保持されるとともに、スリット２０ｓの厚さ（波の進行方向に沿った長さ）が比較的短い場合でも、水流を効率的に加速させることができる。さらに、直方体形状のスリット２０ｓおよび遊水室２０ｔの設けられた防波堤２０は、比較的簡便に作製できる。また、図２では図示していないが、上述したように、水車３０はスリット２０ｓおよび遊水室２０ｔにまたがって配置されてもよい。
【００３７】
波力発電システム１０では、遊水室２０ｔ内の水はスリット２０ｓ以外から流入および流出せず、スリット２０ｓを介して遊水室２０ｔに流入した水は、遊水室２０ｔにおいて反射され、反射された水も水車３０（図１）の回転に利用される。ここでは、防波堤２０は、スリット２０ｓの設けられた前面と、背面と、下面と、側面を有している。また、必要に応じて防波堤２０は上面を有してもよい。遊水室２０ｔは、防波堤２０の前面、背面、下面および側面（さらに必要に応じて上面）によって規定される。この場合、防波堤２０の前面にのみ開口部（スリット２０ｓ）が設けられる一方で、背面、下面および側面には開口部が設けられず、スリット２０ｓを介して遊水室２０ｔに流入した水は、遊水室２０ｔにおいて反射され、反射された水も水車３０（図１）の回転に利用される。
【００３８】
なお、図１に示した水車３０は、スリット２０ｓを介して遊水室２０ｔに流入する水の流れおよびスリット２０ｓを介して遊水室２０ｔから流出する水の流れの両方に応じて回転可能なように構成されていることが好ましい。また、図１では、回転軸４０が垂直方向に延びるように配置されており、水流に伴い、水車３０は水平方向に回転する。回転軸４０の一部が水面の上に位置していることにより、発電機５０を水中に沈めることなく回転軸４０と発電機５０との接続を容易に行うことができる。例えば、水車３０としてサボニウス型水車が用いられる。
【００３９】
図３に、水車３０の模式的な上面図を示す。図３に示した水車３０はサボニウス型水車である。水車３０は２枚の水車翼３０ｗを有している。水車翼３０ｗは回転軸４０の周囲に配置されている。波は、正弦波的な往復流を生成するため、回転方向が水流の方向に依存しないサボニウス型水車を用いることが好ましい。なお、図３には、サボニウス型水車を示したが、水車３０としてダリウス型水車またはジャイロミル型水車を用いてもよい。
【００４０】
なお、水車３０は複数の水車部を有してもよい。例えば、水車３０は、２つの水車部を有してもよく、あるいは、３以上の水車部を有してもよい。
【００４１】
図４に、本実施形態の波力発電システム１０における水車３０の一例を示す。図４（ａ）に水車３０の模式的な上面図を示し、図４（ｂ）にこの水車３０の模式的な側面図を示す。図４に示した水車３０は、同一の回転軸４０を回転させる水車部３０ａ、３０ｂ、３０ｃを有している。同一の回転軸４０に沿って水車部３０ａ、３０ｂ、３０ｃは垂直方向に配置されている。
【００４２】
水車部３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、それぞれ、水車翼３０ａｗ、３０ｂｗ、３０ｃｗを有している。回転軸４０から分離された場合、水車部３０ａ、３０ｂ、３０の水車翼３０ａｗ、３０ｂｗ、３０ｃｗはそれぞれ同様の形状を有している。水車部３０ａ、３０ｂ、３０ｃの水車翼３０ａｗ、３０ｂｗ、３０ｃｗは、回転軸４０に対して固定された状態で、回転軸４０に対して異なる位置に配置されている。水車翼３０ｂｗは、水車翼３０ａｗに対してほぼ１２０°異なる位置に配置されており、水車翼３０ｃｗは、水車翼３０ａｗおよび水車翼３０ｂｗのそれぞれに対してほぼ１２０°異なる位置に配置されている。なお、本明細書において水車部３０ａ、３０ｂ、３０ｃをそれぞれ第１水車部３０ａ、第２水車部３０ｂ、第３水車部３０ｃと呼ぶことがあり、水車翼３０ａｗ、３０ｂｗ、３０ｃｗをそれぞれ第１水車翼３０ａｗ、第２水車翼３０ｂｗ、第３水車翼３０ｃｗと呼ぶことがある。
【００４３】
このように、水車翼３０ａｗ、３０ｂｗ、３０ｃｗが回転軸４０に対して異なる位置に配置されていることにより、回転を滑らかにすることができる。なお、ここでは、水車３０は３つの水車部３０ａ、３０ｂ、３０ｃを有していたが、本発明はこれに限定されない。水車３０の水車翼３０ｗが回転軸４０に対して滑らかにほぼ３６０°回転するように構成されていてもよい。
【００４４】
また、上述した説明では、スリット２０ｓの水平方向の長さはスリット２０ｓの垂直方向の長さよりも短く、スリット２０ｓは縦長であったが、本発明はこれに限定されない。スリット２０ｓの水平方向の長さはスリット２０ｓの垂直方向の長さよりも長く、スリット２０ｓは横長であってもよい。
【００４５】
なお、実際の海面の高さは、潮の満ち引きや気象状況に応じて時刻に応じて変動する。一般的な気象状況の場合には任意の時刻において水車３０の少なくとも一部が海面下に存在するように水車３０が配置されることが好ましい。また、防波堤２０には、スリット２０ｓおよび遊水室２０ｔが複数設けられ、スリット２０ｓおよび遊水室２０ｔの少なくとも一方に水車３０が配置されることが好ましい。
【００４６】
図５を参照して本実施形態の波力発電システム１０を説明する。図５（ａ）に波力発電システム１０の水車３０を上面からみた模式的な断面図を示し、図５（ｂ）に波力発電システム１０を側面からみた模式的な断面図を示し、図５（ｃ）に波力発電システム１０の模式的な正面図を示す。
【００４７】
図５に示した波力発電システム１０では、複数のスリット２０ｓ、複数の遊水室２０ｔおよび複数の水車３０は水平方向に配置されている。複数の水車３０は、複数のスリット２０ｓに対応して配置されている。ここでは、発電機５０は、防波堤２０の上面の裏面（遊水室２０ｔの内部上面）に取り付けられている。また、複数の遊水室２０ｔは互いに連絡していてもよい。
【００４８】
このような波力発電システム１０では、複数の発電ユニット６０を容易に設置させることができ、発電ユニット６０の設置数に応じて所望の発電量を得ることができる。例えば、防波堤２０の長さ１ｋｍあたりに数百個の発電ユニット６０を設置することができ、１個の発電ユニット６０から、数百Ｗの発電量を得ることができる。
【００４９】
以下に、図６を参照して、防波堤２０のスリット２０ｓを介して流れる水の流れを説明する。図６（ａ）に示すように、スリット２０ｓおよび遊水室２０ｔを有する防波堤２０を備える造波水槽Ｖを用意する。
【００５０】
防波堤２０に向かって進行する波を造波水槽Ｖ内で発生させる。図６（ｂ）は、造波水槽Ｖ内で発生した波が防波堤２０のスリット２０ｓを介して遊水室２０ｔに流入したときの水深０．８ｍの水平面内の速度ベクトルを矢印で示している。このような速度ベクトルはシミュレーションで求めことができる。図６（ｂ）から、スリット２０ｓを通過する際に、水の流れが加速されることが理解される。なお、ここでは図示していないが、防波堤２０内の水車３０は、防波堤２０の遊水室２０ｔにおいて水の流れの速い位置に配置される。
【００５１】
ここで、図７〜図９を参照して、波力発電システム１０の動力を測定した結果を説明する。図７は、小型の波力発電システム１０において発電機５０の代わりに動力検出器１５０を配置した動力計測システム１１０を示す。動力計測システム１１０では、防波堤２０、水車３０および回転軸４０に加えて、回転軸４０による回転のトルクおよび回転速度を測定する動力検出器１５０と、増幅器１６０と、制御器１７０と、波高計１８０ａ、１８０ｂとが設けられている。動力検出器１５０は、摩擦によって回転軸４０に負荷を加えた状態で、回転軸４０のトルクおよび回転角速度を測定する。ここでは、制御器１７０としてパーソナルコンピュータを用いている。
【００５２】
また、ここでは、防波堤２０は、大阪南港に設置されている防波堤をモデルとし、その約１／１２のサイズに作製しており、防波堤２０のスリット２０ｓの水平方向の長さ、スリット２０ｓの厚さおよび間隔は、それぞれ、４２ｍｍ、４２ｍｍ、１４２ｍｍである。このような防波堤２０が造波水槽内に設置される。造波水槽において、波の進行方向に直交する方向に沿った長さは５００ｍｍであり、波の進行方向に沿った長さは２０ｍであり、水は深さ４１７ｍｍまで入っている。
【００５３】
水車３０は、防波堤２０のスリット２０ｓおよび遊水室２０ｔをまたいで配置されており、スリット２０ｓ付近に形成される往復流に応じて水車３０は回転する。水車３０としてサボニウス型水車が用いられる。ここでは、水車３０の直径および長さはそれぞれ３５ｍｍおよび１３０ｍｍである。また、ここでは、水車３０は、３つの水車部１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃを有している。３つの水車部１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃは、それぞれの水車翼を回転軸に対して互いに１２０°ずらして配置されており、これにより、滑らかな回転が実現する。
【００５４】
波高計１８０ａは、防波堤２０から前方（沖側）に６０ｍｍの位置に配置されており、波高計１８０ｂは、防波堤２０から前方（沖側）に５ｍの位置に配置されている。
【００５５】
造波装置は、表１に示すような条件で波を発生する。波高Ｈは波の振幅の２倍であり、波形勾配γは、波長λおよび波高Ｈを用いてＨ／λと表される。
【表１】
【００５６】
図８（ａ）〜図８（ｄ）に、液面変位ｈ、角速度ω、トルクＴおよび動力Ｐのそれぞれの時間変化を示す。造波形成前の液面変位ｈはゼロである。また、ここでは、周期Ｃは１．４４秒であり、波形勾配γは０．０３となるように波を形成している。
【００５７】
スリット２０ｓ近傍における液面変位ｈが大きい時に、スリット２０ｓを介して遊水室２０ｔに水が流入し、小さい時にスリット２０ｓを介して遊水室２０ｔから水が流出する。図８（ａ）〜図８（ｄ）から、液面変位ｈの絶対値が大きく、強い流出入の流れがある時に角速度Ｗ、トルクＴおよび動力Ｐが大きい値を示す一方で、液面変位ｈが０付近ではこれらの値は小さく、これにより、水車３０は間欠的な回転運動を示していることがわかる。
【００５８】
図９（ａ）に、平均トルクＴａに対する平均角速度ωａおよび平均動力Ｐａの時間変化を示す。平均トルクＴａ、平均角速度ωａおよび平均動力Ｐａは、摩擦負荷トルクを変更して図８を参照して上述したのと同様にデータを取得し、トルク、角速度、動力の時間平均値を求めたものである。
【００５９】
図９（ａ）から理解されるように、平均トルクＴａが増大する場合、平均角速度ωａは単調に減少する一方、平均動力Ｐａは一旦増大した後に減少する。ここでは、平均トルクＴａが７４．７μＮｍの場合に平均動力Ｐａは最大値９５５μＷを示す。一般的にサボニウス水車では、水車の周速度が流速とほぼ同じになった時に効率が最大となることが知られており、動力最大時の水車の周速度もおよそこの条件を満足している。
【００６０】
図９（ｂ）に、波形勾配γに対する最大平均動力Ｐａｍａｘの変化を示す。ここでは、周期Ｃを１．１５秒および１．４４秒で固定したまま、波形勾配γを変化させて最大平均動力Ｐａｍａｘを同様に求めている。図９（ｂ）から、最大平均動力Ｐａｍａｘは波形勾配γとともに増大することがわかる。これは波動による流動の速度が大きくなったためと考えられる。また、周期Ｃの増加により、最大平均動力Ｐａｍａｘは幾分増大する傾向があることが分かる。以上に示したように、スリット２０ｓを往復する水流により、動力が適切に取得されることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明によれば、設置の容易な波力発電システムを用いて波力発電を効率的に行うことができる。本発明の波力発電システムは、港湾部の一般住宅や、漁業施設・船舶航行支援施設への電力供給を好適に行うことができる。また、本発明の波力発電システムは、離島などの送電困難地域における電力供給源として用いることができ、あるいは、災害時等に通常の送電線が使用できなくなった場合における発電システムとしても利用可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 波力発電システム
２０ 防波堤
２０ｓ スリット
２０ｔ 遊水室
３０ 水車
４０ 回転軸
５０ 発電機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油などの化石燃料の枯渇、および、地球温暖化に代表されるような環境対策が深刻な問題として認識されるようになり、環境への影響の少ない再生可能エネルギー（自然エネルギー）を利用した発電が注目を集めている。これらのうち波力発電は、地球表面の７割もの領域を覆う海において発生する波力を利用するものであり、有力なエネルギー源として着目されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ジャイロ装置を備えた波力発電システムが記載されている。特許文献１の波力発電システムでは、波浪の揺れに応じて浮体が揺動し、発電機が駆動されて電力が発生する。
【０００４】
また、特許文献２には、消波堤を利用した波力発電装置が記載されている。特許文献２の波力発電装置では、消波堤に設けられた透水孔内に回転翼が設けられており、透水孔内を通過する水流のエネルギーを利用して発電が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２３１９６７号公報
【特許文献２】特開平７−２５２８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、船舶の航行安全や漁場確保の観点から、海洋に構造物を設置することが厳しく制限されている場合、特許文献１に開示された波力発電システムを設置できないことがある。また、特許文献２に開示された波力発電装置では、波力を有効に利用しておらず、十分な発電を行うことができない。
【０００７】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、容易に設置可能で、かつ、効率的に発電を行う波力発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による波力発電システムは、防波堤と、前記防波堤に設けられた水車と、前記水車の回転と連動して回転する回転軸と、前記回転軸の回転に伴って発電を行う発電機とを備え、前記防波堤には、スリットおよび前記スリットと連絡した遊水室が設けられており、前記水車は前記スリットおよび前記遊水室のうちの少なくとも一方に設けられている。
【０００９】
ある実施形態において、前記水車は、前記スリットを介して前記遊水室に流入する水の流れおよび前記スリットを介して前記遊水室から流出する水の流れの両方に応じて回転可能なように構成されている。
【００１０】
ある実施形態において、前記水車は、前記回転軸を回転させる複数の水車部を含む。
【００１１】
ある実施形態において、前記複数の水車部のそれぞれは水車翼を有しており、前記複数の水車部の前記水車翼は、前記回転軸に対して異なる位置に配置されている。
【００１２】
ある実施形態において、前記複数の水車部は、第１水車翼を有する第１水車部と、前記第１水車翼に対してほぼ１２０°異なる位置に配置された第２水車翼を有する第２水車部と、前記第２水車翼に対してほぼ１２０°異なる位置に配置された第３水車翼を有する第３水車部とを含む。
【００１３】
ある実施形態において、前記スリットの水平方向に沿った長さは、前記遊水室の水平方向に沿った長さよりも短い。
【００１４】
ある実施形態において、前記スリットの水平方向に沿った長さは、前記スリットの垂直方向に沿った長さよりも短い。
【００１５】
ある実施形態において、前記スリットの水平方向に沿った長さおよび垂直方向に沿った長さは、前記水車の水平方向に沿った長さおよび垂直方向に沿った長さと対応している。
【００１６】
ある実施形態において、前記回転軸は垂直方向に沿って配置されている。
【００１７】
ある実施形態において、前記水車はサボニウス型水車を含む。
【００１８】
ある実施形態において、前記防波堤は、前記スリットの設けられた前面を有しており、前記スリットの水平方向に沿った長さは、前記防波堤の前面のうちの前記スリットの設けられていない部分の水平方向に沿った長さの半分以下である。
【００１９】
ある実施形態において、前記防波堤には、複数のスリットと、前記複数のスリットとそれぞれと連絡した複数の遊水室が設けられており、前記波力発電システムは、前記複数のスリットに対応した複数の水車をさらに備える。
【００２０】
ある実施形態において、前記複数のスリット、前記複数の遊水室および前記複数の水車は、水平方向に配置されている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、容易に設置可能で、かつ、波力発電を効率的に行う波力発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による波力発電システムの実施形態を示す模式図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、本実施形態の波力発電システムにおける防波堤の上面からみた模式的な断面図、側面からみた模式的な断面図、および、模式的な正面図である。
【図３】本実施形態の波力発電システムにおける水車の模式的な上面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本実施形態の波力発電システムにおける水車の模式的な上面図および側面図である。
【図５】（ａ）は本実施形態の波力発電システムにおける水車を上面からみた模式的な断面図であり、（ｂ）は（ａ）の波力発電システムを側面からみた模式的な断面図であり、（ｃ）は（ａ）の波力発電システムの模式的な正面図である。
【図６】（ａ）は本実施形態の波力発電システムにおける防波堤を備えた造波水槽を示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）に示した造波水槽内における水流の速度ベクトルを表した模式図である。
【図７】（ａ）本実施形態の波力発電システムにおける動力を測定するための動力計測システムを示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面の模式図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は液面変位ｈ、角速度ω、トルクＴおよび動力Ｐのそれぞれの時間変化を示すグラフである。
【図９】（ａ）は平均トルクＴａに対する平均角速度ωａおよび平均動力Ｐａの変化を示すグラフであり、（ｂ）は波形勾配γに対する最大平均動力Ｐａｍａｘの変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明による波力発電システムの実施形態を説明する。だだし、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００２４】
図１に、本実施形態の波力発電システム１０の模式図を示す。波力発電システム１０は、防波堤２０と、防波堤２０に設けられた水車３０と、水車３０の回転に連動して回転する回転軸４０と、回転軸４０の回転に伴って発電を行う発電機５０とを備えている。水車３０は波によって形成される往復流に応じて回転する。水車３０の回転に伴って回転軸４０が回転し、回転軸４０の回転に伴い発電機５０が発電を行う。本明細書の以下の説明において、水車３０、回転軸４０および発電機５０を併せて発電ユニット６０と呼ぶことがある。
【００２５】
防波堤２０には、スリット２０ｓおよび遊水室２０ｔが設けられており、遊水室２０ｔはスリット２０ｓと連絡（連続）している。スリット２０ｓは、防波堤２０の前面（沖側）に設けられている。このため、スリット２０ｓおよび遊水室２０ｔの設けられた防波堤２０に対して波が衝突する場合、スリット２０ｓ近傍で発生する渦によって波のエネルギーが消散し、消波が行われる。
【００２６】
本実施形態の波力発電システム１０において、水車３０は、遊水室２０ｔ内に設けられているか、または、スリット２０ｓおよび遊水室２０ｔにまたがって設けられている。あるいは、スリット２０ｓの厚さが水車３０と比べて比較的大きい場合、水車３０は、スリット２０ｓに設けられていてもよい。このように、水車３０はスリット２０ｓおよび遊水室２０ｔのうちの少なくとも一方に設けられている。
【００２７】
波力発電システム１０では、防波堤２０に向かってくる波がスリット２０ｓに到達すると、スリット２０ｓおいて水流の方向が揃えられるとともに水流の速度が加速される。水車３０はこのような水流によって回転し、発電機５０は水車３０および回転軸４０の回転に伴って発電を行う。このため、波力発電システム１０は、波力を利用して発電を効率的に行うことできる。なお、一般に、発電出力は水流速度の３乗に比例するため、水流の加速により、発電出力を効率的に増大させることができる。防波堤２０の前面において、スリット２０ｓの水平方向に沿った長さに対して壁部分の水平方向に沿った長さの比率が大きいほどスリット２０ｓを介して流れる水流の速度を大きくすることができる。例えば、防波堤２０の前面において、壁部分とスリット２０ｓの水平方向の長さの比率が２：１の場合、スリット２０ｓを介して流れる水流の速度は約３倍となり、発電出力を約２７倍にすることができる。
【００２８】
また、スリット２０ｓを介して遊水室２０ｔに流入した水は、その後、スリット２０ｓを介して遊水室２０ｔから流出する。本実施形態の波力発電システム１０では、水車３０はスリット２０ｓを介して遊水室２０ｔから流出する水の流れも利用して発電を行うことができる。
【００２９】
例えば、発電機５０は、防波堤２０の上に設けられている。図１に示した波力発電システム１０では、水車３０、回転軸４０および発電機５０を設置する構造物として防波堤２０を利用しており、このような波力発電システム１０の防波堤２０として既存の防波堤を利用することができる。船舶の航行安全や漁場確保の観点から、海洋に構造物を設置することが厳しく制限されていることがあるが、この場合でも、防波堤２０とは別に海域を占有する構造物や浮体を設けなくてもよく、既存の防波堤を利用可能であるため、波力発電システム１０を設置するための許認可を得やすい。特に、国土面積に対して長大な海岸線を有する日本では、波力発電システム１０を用いる意義が大きい。また、波力発電システム１０は防波堤２０を利用して設置されるため、波力発電システム１０の部品点数を低減させ、発電システムの重量およびコストを抑制できる。
【００３０】
防波堤２０は陸地と連続していてもよく、あるいは、防波堤２０は陸地とは連続することなく海域に単離していてもよい。ただし、防波堤２０は、海岸線に比較的近い箇所に設置されることが好ましい。この場合、防波堤２０には、ほぼ一定方向に進行する波が衝突し、水車３０はこの波を効率的に利用して回転するため、発電を効率的に行うことができる。また、波力発電システム１０を海岸線に近い場所に設置した場合、送電を比較的容易に行うことができる。
【００３１】
なお、図１に示したように、正面方向から見た場合、スリット２０ｓは矩形状を有している。このようにスリット２０ｓが単純な形状を有している場合、水面にほぼ平行でかつ波の進行方向にほぼ垂直な方向に縮流が生成されるため、縮流生成時の損失を低減できると考えられる。また、スリット２０ｓの水平方向に沿った長さは、遊水室２０ｔの水平方向に沿った長さよりも短いことが好ましく、これにより、消波を適切に行うとともに遊水室２０ｔにおいて衝突する波のエネルギーを低減させることができる。なお、ここで、水平方向は、波が実質的にない状態における水面に沿った方向に相当する。
【００３２】
スリット２０ｓの水平方向に沿った長さは、防波堤２０の前面のうちのスリット２０ｓの設けられていない部分の水平方向に沿った長さの半分以下であることが好ましい。また、スリット２０ｓの水平方向に沿った長さは、スリット２０ｓの垂直方向に沿った長さよりも短いことが好ましい。このようなスリット２０ｓは縦長スリットとも呼ばれる。また、ここで、垂直方向は、重力の方向と平行な方向に相当する。
【００３３】
ここでは、スリット２０ｓの垂直方向に沿った長さは、スリット２０ｓの水平方向に沿った長さよりも大きく、また、水車３０の垂直方向に沿った長さは水車３０の水平方向に沿った長さよりも大きい。このように、スリット２０ｓの水平方向および垂直方向に沿った長さが水車３０の水平方向および垂直方向に沿った長さと対応することにより、スリット２０ｓにおいて加速された水流を水車３０の回転運動に効率的に変換することができる。例えば、スリット２０ｓの水平方向および垂直方向に沿った長さは、水車３０の水平方向および垂直方向に沿った長さとほぼ等しいことが好ましい。あるいは、スリット２０ｓの水平方向および垂直方向に沿った長さは、水車３０の水平方向および垂直方向に沿った長さよりも若干大きくてもよい。
【００３４】
以下、図２を参照して、波力発電システム１０における防波堤２０を説明する。図２（ａ）に防波堤２０の上面からみた模式的な断面図を示し、図２（ｂ）に防波堤２０の側面からみた模式的な断面図を示し、図２（ｃ）に防波堤２０の模式的な正面図を示す。
【００３５】
例えば、スリット２０ｓを正面方向から見た場合、スリット２０ｓの水平方向に沿った長さは、スリット２０ｓの垂直方向に沿った長さよりも短い。例えば、スリット２０ｓの水平方向に沿った長さは約５０ｃｍであり、スリット２０ｓの垂直方向に沿った長さは約４００ｃｍである。また、遊水室２０ｔの水平方向に沿った長さは約１７０ｃｍであり、遊水室２０ｔの垂直方向に沿った長さは約６００ｃｍである。
【００３６】
また、スリット２０ｓおよび遊水室２０ｔはそれぞれほぼ直方体形状であることが好ましい。これにより、スリット２０ｓの大きさを比較的大きくしても防波堤２０の強度が適切に保持されるとともに、スリット２０ｓの厚さ（波の進行方向に沿った長さ）が比較的短い場合でも、水流を効率的に加速させることができる。さらに、直方体形状のスリット２０ｓおよび遊水室２０ｔの設けられた防波堤２０は、比較的簡便に作製できる。また、図２では図示していないが、上述したように、水車３０はスリット２０ｓおよび遊水室２０ｔにまたがって配置されてもよい。
【００３７】
波力発電システム１０では、遊水室２０ｔ内の水はスリット２０ｓ以外から流入および流出せず、スリット２０ｓを介して遊水室２０ｔに流入した水は、遊水室２０ｔにおいて反射され、反射された水も水車３０（図１）の回転に利用される。ここでは、防波堤２０は、スリット２０ｓの設けられた前面と、背面と、下面と、側面を有している。また、必要に応じて防波堤２０は上面を有してもよい。遊水室２０ｔは、防波堤２０の前面、背面、下面および側面（さらに必要に応じて上面）によって規定される。この場合、防波堤２０の前面にのみ開口部（スリット２０ｓ）が設けられる一方で、背面、下面および側面には開口部が設けられず、スリット２０ｓを介して遊水室２０ｔに流入した水は、遊水室２０ｔにおいて反射され、反射された水も水車３０（図１）の回転に利用される。
【００３８】
なお、図１に示した水車３０は、スリット２０ｓを介して遊水室２０ｔに流入する水の流れおよびスリット２０ｓを介して遊水室２０ｔから流出する水の流れの両方に応じて回転可能なように構成されていることが好ましい。また、図１では、回転軸４０が垂直方向に延びるように配置されており、水流に伴い、水車３０は水平方向に回転する。回転軸４０の一部が水面の上に位置していることにより、発電機５０を水中に沈めることなく回転軸４０と発電機５０との接続を容易に行うことができる。例えば、水車３０としてサボニウス型水車が用いられる。
【００３９】
図３に、水車３０の模式的な上面図を示す。図３に示した水車３０はサボニウス型水車である。水車３０は２枚の水車翼３０ｗを有している。水車翼３０ｗは回転軸４０の周囲に配置されている。波は、正弦波的な往復流を生成するため、回転方向が水流の方向に依存しないサボニウス型水車を用いることが好ましい。なお、図３には、サボニウス型水車を示したが、水車３０としてダリウス型水車またはジャイロミル型水車を用いてもよい。
【００４０】
なお、水車３０は複数の水車部を有してもよい。例えば、水車３０は、２つの水車部を有してもよく、あるいは、３以上の水車部を有してもよい。
【００４１】
図４に、本実施形態の波力発電システム１０における水車３０の一例を示す。図４（ａ）に水車３０の模式的な上面図を示し、図４（ｂ）にこの水車３０の模式的な側面図を示す。図４に示した水車３０は、同一の回転軸４０を回転させる水車部３０ａ、３０ｂ、３０ｃを有している。同一の回転軸４０に沿って水車部３０ａ、３０ｂ、３０ｃは垂直方向に配置されている。
【００４２】
水車部３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、それぞれ、水車翼３０ａｗ、３０ｂｗ、３０ｃｗを有している。回転軸４０から分離された場合、水車部３０ａ、３０ｂ、３０の水車翼３０ａｗ、３０ｂｗ、３０ｃｗはそれぞれ同様の形状を有している。水車部３０ａ、３０ｂ、３０ｃの水車翼３０ａｗ、３０ｂｗ、３０ｃｗは、回転軸４０に対して固定された状態で、回転軸４０に対して異なる位置に配置されている。水車翼３０ｂｗは、水車翼３０ａｗに対してほぼ１２０°異なる位置に配置されており、水車翼３０ｃｗは、水車翼３０ａｗおよび水車翼３０ｂｗのそれぞれに対してほぼ１２０°異なる位置に配置されている。なお、本明細書において水車部３０ａ、３０ｂ、３０ｃをそれぞれ第１水車部３０ａ、第２水車部３０ｂ、第３水車部３０ｃと呼ぶことがあり、水車翼３０ａｗ、３０ｂｗ、３０ｃｗをそれぞれ第１水車翼３０ａｗ、第２水車翼３０ｂｗ、第３水車翼３０ｃｗと呼ぶことがある。
【００４３】
このように、水車翼３０ａｗ、３０ｂｗ、３０ｃｗが回転軸４０に対して異なる位置に配置されていることにより、回転を滑らかにすることができる。なお、ここでは、水車３０は３つの水車部３０ａ、３０ｂ、３０ｃを有していたが、本発明はこれに限定されない。水車３０の水車翼３０ｗが回転軸４０に対して滑らかにほぼ３６０°回転するように構成されていてもよい。
【００４４】
また、上述した説明では、スリット２０ｓの水平方向の長さはスリット２０ｓの垂直方向の長さよりも短く、スリット２０ｓは縦長であったが、本発明はこれに限定されない。スリット２０ｓの水平方向の長さはスリット２０ｓの垂直方向の長さよりも長く、スリット２０ｓは横長であってもよい。
【００４５】
なお、実際の海面の高さは、潮の満ち引きや気象状況に応じて時刻に応じて変動する。一般的な気象状況の場合には任意の時刻において水車３０の少なくとも一部が海面下に存在するように水車３０が配置されることが好ましい。また、防波堤２０には、スリット２０ｓおよび遊水室２０ｔが複数設けられ、スリット２０ｓおよび遊水室２０ｔの少なくとも一方に水車３０が配置されることが好ましい。
【００４６】
図５を参照して本実施形態の波力発電システム１０を説明する。図５（ａ）に波力発電システム１０の水車３０を上面からみた模式的な断面図を示し、図５（ｂ）に波力発電システム１０を側面からみた模式的な断面図を示し、図５（ｃ）に波力発電システム１０の模式的な正面図を示す。
【００４７】
図５に示した波力発電システム１０では、複数のスリット２０ｓ、複数の遊水室２０ｔおよび複数の水車３０は水平方向に配置されている。複数の水車３０は、複数のスリット２０ｓに対応して配置されている。ここでは、発電機５０は、防波堤２０の上面の裏面（遊水室２０ｔの内部上面）に取り付けられている。また、複数の遊水室２０ｔは互いに連絡していてもよい。
【００４８】
このような波力発電システム１０では、複数の発電ユニット６０を容易に設置させることができ、発電ユニット６０の設置数に応じて所望の発電量を得ることができる。例えば、防波堤２０の長さ１ｋｍあたりに数百個の発電ユニット６０を設置することができ、１個の発電ユニット６０から、数百Ｗの発電量を得ることができる。
【００４９】
以下に、図６を参照して、防波堤２０のスリット２０ｓを介して流れる水の流れを説明する。図６（ａ）に示すように、スリット２０ｓおよび遊水室２０ｔを有する防波堤２０を備える造波水槽Ｖを用意する。
【００５０】
防波堤２０に向かって進行する波を造波水槽Ｖ内で発生させる。図６（ｂ）は、造波水槽Ｖ内で発生した波が防波堤２０のスリット２０ｓを介して遊水室２０ｔに流入したときの水深０．８ｍの水平面内の速度ベクトルを矢印で示している。このような速度ベクトルはシミュレーションで求めことができる。図６（ｂ）から、スリット２０ｓを通過する際に、水の流れが加速されることが理解される。なお、ここでは図示していないが、防波堤２０内の水車３０は、防波堤２０の遊水室２０ｔにおいて水の流れの速い位置に配置される。
【００５１】
ここで、図７〜図９を参照して、波力発電システム１０の動力を測定した結果を説明する。図７は、小型の波力発電システム１０において発電機５０の代わりに動力検出器１５０を配置した動力計測システム１１０を示す。動力計測システム１１０では、防波堤２０、水車３０および回転軸４０に加えて、回転軸４０による回転のトルクおよび回転速度を測定する動力検出器１５０と、増幅器１６０と、制御器１７０と、波高計１８０ａ、１８０ｂとが設けられている。動力検出器１５０は、摩擦によって回転軸４０に負荷を加えた状態で、回転軸４０のトルクおよび回転角速度を測定する。ここでは、制御器１７０としてパーソナルコンピュータを用いている。
【００５２】
また、ここでは、防波堤２０は、大阪南港に設置されている防波堤をモデルとし、その約１／１２のサイズに作製しており、防波堤２０のスリット２０ｓの水平方向の長さ、スリット２０ｓの厚さおよび間隔は、それぞれ、４２ｍｍ、４２ｍｍ、１４２ｍｍである。このような防波堤２０が造波水槽内に設置される。造波水槽において、波の進行方向に直交する方向に沿った長さは５００ｍｍであり、波の進行方向に沿った長さは２０ｍであり、水は深さ４１７ｍｍまで入っている。
【００５３】
水車３０は、防波堤２０のスリット２０ｓおよび遊水室２０ｔをまたいで配置されており、スリット２０ｓ付近に形成される往復流に応じて水車３０は回転する。水車３０としてサボニウス型水車が用いられる。ここでは、水車３０の直径および長さはそれぞれ３５ｍｍおよび１３０ｍｍである。また、ここでは、水車３０は、３つの水車部１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃを有している。３つの水車部１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃは、それぞれの水車翼を回転軸に対して互いに１２０°ずらして配置されており、これにより、滑らかな回転が実現する。
【００５４】
波高計１８０ａは、防波堤２０から前方（沖側）に６０ｍｍの位置に配置されており、波高計１８０ｂは、防波堤２０から前方（沖側）に５ｍの位置に配置されている。
【００５５】
造波装置は、表１に示すような条件で波を発生する。波高Ｈは波の振幅の２倍であり、波形勾配γは、波長λおよび波高Ｈを用いてＨ／λと表される。
【表１】
【００５６】
図８（ａ）〜図８（ｄ）に、液面変位ｈ、角速度ω、トルクＴおよび動力Ｐのそれぞれの時間変化を示す。造波形成前の液面変位ｈはゼロである。また、ここでは、周期Ｃは１．４４秒であり、波形勾配γは０．０３となるように波を形成している。
【００５７】
スリット２０ｓ近傍における液面変位ｈが大きい時に、スリット２０ｓを介して遊水室２０ｔに水が流入し、小さい時にスリット２０ｓを介して遊水室２０ｔから水が流出する。図８（ａ）〜図８（ｄ）から、液面変位ｈの絶対値が大きく、強い流出入の流れがある時に角速度Ｗ、トルクＴおよび動力Ｐが大きい値を示す一方で、液面変位ｈが０付近ではこれらの値は小さく、これにより、水車３０は間欠的な回転運動を示していることがわかる。
【００５８】
図９（ａ）に、平均トルクＴａに対する平均角速度ωａおよび平均動力Ｐａの時間変化を示す。平均トルクＴａ、平均角速度ωａおよび平均動力Ｐａは、摩擦負荷トルクを変更して図８を参照して上述したのと同様にデータを取得し、トルク、角速度、動力の時間平均値を求めたものである。
【００５９】
図９（ａ）から理解されるように、平均トルクＴａが増大する場合、平均角速度ωａは単調に減少する一方、平均動力Ｐａは一旦増大した後に減少する。ここでは、平均トルクＴａが７４．７μＮｍの場合に平均動力Ｐａは最大値９５５μＷを示す。一般的にサボニウス水車では、水車の周速度が流速とほぼ同じになった時に効率が最大となることが知られており、動力最大時の水車の周速度もおよそこの条件を満足している。
【００６０】
図９（ｂ）に、波形勾配γに対する最大平均動力Ｐａｍａｘの変化を示す。ここでは、周期Ｃを１．１５秒および１．４４秒で固定したまま、波形勾配γを変化させて最大平均動力Ｐａｍａｘを同様に求めている。図９（ｂ）から、最大平均動力Ｐａｍａｘは波形勾配γとともに増大することがわかる。これは波動による流動の速度が大きくなったためと考えられる。また、周期Ｃの増加により、最大平均動力Ｐａｍａｘは幾分増大する傾向があることが分かる。以上に示したように、スリット２０ｓを往復する水流により、動力が適切に取得されることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明によれば、設置の容易な波力発電システムを用いて波力発電を効率的に行うことができる。本発明の波力発電システムは、港湾部の一般住宅や、漁業施設・船舶航行支援施設への電力供給を好適に行うことができる。また、本発明の波力発電システムは、離島などの送電困難地域における電力供給源として用いることができ、あるいは、災害時等に通常の送電線が使用できなくなった場合における発電システムとしても利用可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 波力発電システム
２０ 防波堤
２０ｓ スリット
２０ｔ 遊水室
３０ 水車
４０ 回転軸
５０ 発電機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
防波堤と、
前記防波堤に設けられた水車と、
前記水車の回転と連動して回転する回転軸と、
前記回転軸の回転に伴って発電を行う発電機と
を備え、
前記防波堤には、スリットおよび前記スリットと連絡した遊水室が設けられており、
前記水車は前記スリットおよび前記遊水室のうちの少なくとも一方に設けられている、波力発電システム。
【請求項２】
前記水車は、前記スリットを介して前記遊水室に流入する水の流れおよび前記スリットを介して前記遊水室から流出する水の流れの両方に応じて回転可能なように構成されている、請求項１に記載の波力発電システム。
【請求項３】
前記水車は、前記回転軸を回転させる複数の水車部を含む、請求項１または２に記載の波力発電システム。
【請求項４】
前記複数の水車部のそれぞれは水車翼を有しており、
前記複数の水車部の前記水車翼は、前記回転軸に対して異なる位置に配置されている、請求項３に記載の波力発電システム。
【請求項５】
前記複数の水車部は、第１水車翼を有する第１水車部と、前記第１水車翼に対してほぼ１２０°異なる位置に配置された第２水車翼を有する第２水車部と、前記第２水車翼に対してほぼ１２０°異なる位置に配置された第３水車翼を有する第３水車部とを含む、請求項４に記載の波力発電システム。
【請求項６】
前記スリットの水平方向に沿った長さは、前記遊水室の水平方向に沿った長さよりも短い、請求項１から５のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項７】
前記スリットの水平方向に沿った長さは、前記スリットの垂直方向に沿った長さよりも短い、請求項１から６のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項８】
前記スリットの水平方向に沿った長さおよび垂直方向に沿った長さは、前記水車の水平方向に沿った長さおよび垂直方向に沿った長さと対応している、請求項１から７のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項９】
前記回転軸は垂直方向に沿って配置されている、請求項１から８のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項１０】
前記水車はサボニウス型水車を含む、請求項１から９のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項１１】
前記防波堤は、前記スリットの設けられた前面を有しており、
前記スリットの水平方向に沿った長さは、前記防波堤の前面のうちの前記スリットの設けられていない部分の水平方向に沿った長さの半分以下である、請求項１から１０のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項１２】
前記防波堤には、複数のスリットと、前記複数のスリットとそれぞれと連絡した複数の遊水室が設けられており、
前記波力発電システムは、前記複数のスリットに対応した複数の水車をさらに備える、請求項１から１１のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項１３】
前記複数のスリット、前記複数の遊水室および前記複数の水車は、水平方向に配置されている、請求項１から１２のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項１】
防波堤と、
前記防波堤に設けられた水車と、
前記水車の回転と連動して回転する回転軸と、
前記回転軸の回転に伴って発電を行う発電機と
を備え、
前記防波堤には、スリットおよび前記スリットと連絡した遊水室が設けられており、
前記水車は前記スリットおよび前記遊水室のうちの少なくとも一方に設けられている、波力発電システム。
【請求項２】
前記水車は、前記スリットを介して前記遊水室に流入する水の流れおよび前記スリットを介して前記遊水室から流出する水の流れの両方に応じて回転可能なように構成されている、請求項１に記載の波力発電システム。
【請求項３】
前記水車は、前記回転軸を回転させる複数の水車部を含む、請求項１または２に記載の波力発電システム。
【請求項４】
前記複数の水車部のそれぞれは水車翼を有しており、
前記複数の水車部の前記水車翼は、前記回転軸に対して異なる位置に配置されている、請求項３に記載の波力発電システム。
【請求項５】
前記複数の水車部は、第１水車翼を有する第１水車部と、前記第１水車翼に対してほぼ１２０°異なる位置に配置された第２水車翼を有する第２水車部と、前記第２水車翼に対してほぼ１２０°異なる位置に配置された第３水車翼を有する第３水車部とを含む、請求項４に記載の波力発電システム。
【請求項６】
前記スリットの水平方向に沿った長さは、前記遊水室の水平方向に沿った長さよりも短い、請求項１から５のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項７】
前記スリットの水平方向に沿った長さは、前記スリットの垂直方向に沿った長さよりも短い、請求項１から６のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項８】
前記スリットの水平方向に沿った長さおよび垂直方向に沿った長さは、前記水車の水平方向に沿った長さおよび垂直方向に沿った長さと対応している、請求項１から７のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項９】
前記回転軸は垂直方向に沿って配置されている、請求項１から８のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項１０】
前記水車はサボニウス型水車を含む、請求項１から９のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項１１】
前記防波堤は、前記スリットの設けられた前面を有しており、
前記スリットの水平方向に沿った長さは、前記防波堤の前面のうちの前記スリットの設けられていない部分の水平方向に沿った長さの半分以下である、請求項１から１０のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項１２】
前記防波堤には、複数のスリットと、前記複数のスリットとそれぞれと連絡した複数の遊水室が設けられており、
前記波力発電システムは、前記複数のスリットに対応した複数の水車をさらに備える、請求項１から１１のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項１３】
前記複数のスリット、前記複数の遊水室および前記複数の水車は、水平方向に配置されている、請求項１から１２のいずれかに記載の波力発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−２４１０（Ｐ２０１３−２４１０Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３６１５６（Ｐ２０１１−１３６１５６）
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【出願人】（５０６１２２３２７）公立大学法人大阪市立大学 (122)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【出願人】（５０６１２２３２７）公立大学法人大阪市立大学 (122)
【Ｆターム（参考）】
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