(57)【要約】【課題】固有周期などの制約が少なく、波力エネルギーの変化に柔軟に対応可能で、発電単価が低く、発電効率の高い波力発電装置を提供する。【解決手段】水上に設置されるベース部１４０とベース部１４０に配設された発電手段１２０とを備えた波力発電装置において、発電手段１２０が波を取り込む開口部１２５を有する空気室１２２と空気室１２２と連通する発電室１２４とを有し、発電室１２４内の圧力変化により伸張収縮して電気エネルギーを発生する電場応答性高分子膜１３０が発電室１２０内に張設されていることにより上記の課題を解決する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水上に設置されるベース部と該ベース部に配設された発電手段とを備えた波力発電装置において、
前記発電手段が波を取り込む開口部を有する空気室と該空気室と連通する発電室とを有し、
前記発電室内の圧力変化により伸張収縮して電気エネルギーを発生する電場応答性高分子膜が発電室内に張設されていることを特徴とする波力発電装置。
【請求項２】
前記発電室が少なくとも２つの空気弁を有し、複数の発電室が空気弁を連結して接合されていることを特徴とする請求項１に記載の波力発電装置。
【請求項３】
前記電場応答性高分子膜が発電室内の圧力変化により、半径方向に又は軸方向に伸張収縮するように円筒状に張設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の波力発電装置。
【請求項４】
前記電場応答性高分子膜が発電室内の圧力変化により、膨張収縮するように球状に張設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の波力発電装置。
【請求項５】
前記ベース部が水上に係留された浮体に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の波力発電装置。
【請求項６】
前記ベース部が海岸の護岸に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の波力発電装置。
【請求項７】
前記ベース部に固有周期の異なる空気室を有する複数の発電手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の波力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波力エネルギーを利用して発電を行う波力発電装置に関し、特に、電場応答性高分子（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ）膜を用いて、波力エネルギーを電気エネルギーとして取り出す波力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油などの化石燃料の枯渇と地球温暖化に象徴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、石油に替わる風力や太陽エネルギーなどの環境に優し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（図２２参照）。自然エネルギーを利用した発電の一つとして、潮汐、波、海流や海中の温度差などの海洋エネルギー活用に関する研究開発が国内外で盛んに実施されており、波力発電装置についても実証実験がスタートしている。
【０００３】
波力エネルギーを電気エネルギーとして取り出す波力発電装置には、いくつかの方式が知られているが、現在の主流は、図１に簡略的に示すような振動水柱方式である。この振動水柱方式の波力発電装置１では、海面付近に係留された筒型形状の浮体２上に空気タービン３によって駆動される発電機４が設置される。浮体２は、海中で図示はされていないバラストにより鉛直方向に浮遊状態に保持され、浮体２の浮力と発電機４やバラストなどが受ける重力との関係で、浮体２の頂部側に空気室５が形成される。そして、浮体２内の振動水柱６の往復動により発生する水面の昇降により、空気室５の内部と外部との間で空気流が発生する。この空気流により空気タービン３が駆動される。そして、この空気タービン３の駆動により発電機４が回転駆動され、振動水柱６の昇降運動に伴う波力エネルギーが、発電機４によって電気エネルギーに変換されて外部に取り出される。このような従来の振動水柱方式の波力発電装置は、構造がきわめて簡素である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、本発明者らは、発電機などの既存の発電手法では実現が難しい低周波数帯（例えば、０．３Ｈｚ）や非定周波振動（周期が定まっていない振動）、高負荷、高ストロークなどの条件下においても利用可能な発電装置として電場応答性高分子膜を用いた発電装置の開発に成功し、各方面から注目を集めている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−９５５６９号公報
【特許文献２】特開２００８−１４１８４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したような、従来の振動水柱方式の波力発電装置は、波と振動水柱が同調することにより、波力エネルギーを最大限に吸収することができる。そのため、浮体を設計する場合に、浮体内の振動水柱の固有周期を設置海域の最多出現波周期に合わせることが必要になり、設計開発コスト上昇の原因になっていた。また、振動水柱が固有周期を有するため天候などによって随時変化する波力エネルギーに柔軟に対応することができず、発電効率の向上を妨げる原因になっていた。さらに、波の運動エネルギーによる圧縮空気を、タービンを用いて電気エネルギーに変換する必要があり、この場合、構造はシンプルであるが、設備コストが高価であることや、日本の平均波浪エネルギーが少ないこともあり、発電単価を抑えることが困難であるという課題があった。
【０００７】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、固有周期などの制約が少なく、波力エネルギーの変化に柔軟に対応可能で、発電単価が低く、発電効率の高い波力発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、エネルギー変換手段に電場応答性高分子膜を用い、これを波力エネルギーにより伸張収縮させることが、前記課題の解決にきわめて効果的であることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成するに到った。
【０００９】
まず、本請求項１に係る発明は、水上に設置されるベース部と該ベース部に配設された発電手段とを備えた波力発電装置において、前記発電手段が波を取り込む開口部を有する空気室と該空気室と連通する発電室とを有し、前記発電室内の圧力変化により伸張収縮して電気エネルギーを発生する電場応答性高分子膜が発電室内に張設されていることによって、前記課題を解決するものである。
【００１０】
また、本請求項２に係る発明は、請求項１に係る波力発電装置において、前記発電室が少なくとも２つの空気弁を有し、複数の発電室が空気弁を連結して接合されていることによって、前記課題をさらに解決するものである。
【００１１】
また、本請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る波力発電装置において、前記電場応答性高分子膜が発電室内の圧力変化により、半径方向に又は軸方向に伸張収縮するように円筒状に張設されていることによって、前記課題をさらに解決するものである。
【００１２】
また、本請求項４に係る発明は、請求項１又は請求項２に係る波力発電装置において、前記電場応答性高分子膜が発電室内の圧力変化により、膨張収縮するように球状に張設されていることによって、前記課題をさらに解決するものである。
【００１３】
また、本請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに係る波力発電装置において、前記ベース部が水上に係留された浮体に設けられていることによって、前記課題をさらに解決するものである。
【００１４】
また、本請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに係る波力発電装置において、前記ベース部が海岸の護岸に設けられていることによって、前記課題をさらに解決するものである。
【００１５】
また、本請求項７に係る発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに係る波力発電装置において、前記ベース部に固有周期の異なる空気室を有する複数の発電手段が設けられていることによって、前記課題をさらに解決するものである。
【００１６】
ここで、空気室の固有周期、すなわち、振動水柱の固有周期ＴＮは、空気室内の振動水柱部の水線面積をＡｗ、可動部の質量をＭ、可動部の付加質量をａｍ３３、流体密度をρ、重力加速度をｇとすると、
ＴＮ≒２π√｛（Ｍ＋ａｍ３３）／ρｇＡｗ｝      （数式１）
で表される定数を意味している。
【００１７】
また、本発明における電場応答性高分子膜とは、誘電エラストマーを主たる構成要素として電歪効果によって機械的変形から起電力を得たり、逆に電位差を与えることにより機械的な駆動力が得られる、いわゆる、エレクトロアクティブポリマー（ＥＡＰ）の総称を意味しており、例えば、米国のカリフォルニア州に本拠を構えるＳＲＩインターナショナルで開発されたアクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などからなるゴム状の薄い高分子（誘電体）を伸び縮み可能な柔軟な電極で挟んだ構造をしたＥＰＡＭ（イーパム：Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｍｕｓｃｌｅ）という商品名で提供されているものなどがある。
【発明の効果】
【００１８】
本請求項１に係る発明によれば、水上に設置されるベース部とベース部に配設された発電手段とを備えた波力発電装置において、発電手段が波を取り込む開口部を有する空気室と空気室と連通する発電室とを有し、発電室内の圧力変化により伸張収縮して電気エネルギーを発生する電場応答性高分子膜が発電室内に張設されていることによって、従来の振動水柱方式の波力発電装置と違って、タービンや発電機など重量や嵩の大きな構造物を必要としないので、固有周期などの制約が少なく、波力エネルギーの変化に柔軟に対応可能で、高い発電効率を実現することができる。
【００１９】
また、タービンや発電機のような回転機構が存在しないため静粛性に優れており、省スペース化、軽量化、メンテナンス負担の軽減という点においても優れている。
【００２０】
さらに、電場応答性高分子膜は、低周波数帯（例えば、０．３Ｈｚ）や非定周波振動（周期が定まっていない振動）でも発電可能であるので、平均波浪エネルギーが少ない海域においても、高い発電効率を実現することができる。
【００２１】
また、本請求項２に係る発明によれば、請求項１に係る波力発電装置において、発電室が少なくとも２つの空気弁を有し、複数の発電室が空気弁を連結して接合されていることによって、一つの発電室内の電場応答性高分子膜の変位量が一定量を超えたときに隣接した発電室内の電場応答性高分子膜が変位するので、不確定な波浪からでも、容易に波の運動エネルギーを電気エネルギーに変換でき、また、自然現象の変化による、波浪エネルギーの急激な変化があった場合、例えば、台風のような膨大な波浪エネルギーにより、予想外に大量の往復気流が発電室内に流れ込んだ場合であっても電場応答性高分子膜の破損を防ぐことが可能である。
【００２２】
また、本請求項３の波力発電装置によれば、請求項１又は請求項２に係る波力発電装置において、電場応答性高分子膜が発電室内の圧力変化により、半径方向に又は軸方向に伸張収縮するように円筒状に張設されていることによって、水柱往復運動により発生する往復気流を電場応答性高分子膜内に取り込んで膨張変形を行うことができるので、波の運動エネルギーから空気室で発生する往復気流を、直接電気エネルギーに変換することができ、高い発電効率を実現することができる。
【００２３】
また、本請求項４の波力発電装置によれば、請求項１又は請求項２に係る波力発電装置において、電場応答性高分子膜が発電室内の圧力変化により、膨張収縮するように球状に張設されていることによって、水柱往復運動により発生する往復気流を電場応答性高分子膜内に取り込んで膨張変形を行うことができるので、波の運動エネルギーから空気室で発生する往復気流を、直接電気エネルギーに変換することができ、高い発電効率を実現することができる。
【００２４】
また、本請求項５の波力発電装置によれば、請求項１乃至請求項４のいずれかに係る波力発電装置において、ベース部が水上に係留された浮体に設けられていることによって、発電に適した波浪エネルギーが得られる海域に浮体を浮かべて効率よく発電することができる。
【００２５】
また、本請求項６の波力発電装置によれば、請求項１乃至請求項４のいずれかに係る波力発電装置において、ベース部が海岸の護岸に設けられていることによって、波力発電装置と電力消費地が近接するので、送電コストを削減することができる。また、波力発電装置を設置することにより消波作用が奏されるので護岸の耐久性を向上させることができる。
【００２６】
また、本請求項７の波力発電装置によれば、請求項１乃至請求項６のいずれかに係る波力発電装置において、ベース部に固有周期の異なる空気室を有する複数の発電手段が設けられていることにより、気象の変化などにより随時、波の固有周期が変化したとしてもいずれかの空気室が共鳴することにより、安定した電力供給を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来の振動水柱方式の波力発電装置の概念図。
【図２】電場応答性高分子膜の動作原理を説明する概念図。
【図３】本発明の電場応答性高分子膜を用いた波力発電装置の概念図。
【図４】実施例１の波力発電装置を構成する発電室の上面図。
【図５】電場応答性高分子膜が変形する前の図４のＶ−Ｖ線における断面図。
【図６】図５に示した発電室の電場応答性高分子膜が膨張変形した後の断面図。
【図７】実施例２の波力発電装置を説明する概念図。
【図８】実施例３の波力発電装置を構成する発電室の上面図。
【図９】電場応答性高分子膜が変形する前の図８のＩＸ−ＩＸ線における断面図。
【図１０】図９に示した発電室の電場応答性高分子膜が膨張変形した後の断面図。
【図１１】実施例４の波力発電装置を説明する概念図。
【図１２】実施例５の波力発電装置を説明する垂直断面図（膨張変形前）。
【図１３】実施例５の波力発電装置を説明する垂直断面図（膨張変形後）。
【図１４】実施例６の波力発電装置を説明する全体斜視図。
【図１５】実施例７の波力発電装置を説明する全体斜視図。
【図１６】実施例８の波力発電装置を説明する正面図。
【図１７】実施例９の波力発電装置を説明する全体斜視図と一部拡大図。
【図１８】実施例１０の波力発電装置を説明する側面。
【図１９】実施例１１の波力発電装置の正面図。
【図２０】図１９のＸＸ−ＸＸ線における断面図。
【図２１】実施例１２の波力発電装置を説明する全体斜視図。
【図２２】各種エネルギーの関係図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の波力発電装置は、水上に設置されるベース部とベース部に配設された発電手段とを備えており、発電手段が波を取り込む開口部を有する空気室と空気室と連通する発電室とを有し、発電室内の圧力変化により伸張収縮して電気エネルギーを発生する電場応答性高分子膜が発電室内に張設されていることによって、固有周期などの制約が少なく、波力エネルギーの変化に柔軟に対応可能で、発電単価が低く、発電効率の高い波力発電装置を提供するものであれば、その具体的な実施の態様は、如何なるものであっても何ら構わない。
【００２９】
例えば、本発明の波力発電装置は、ベース部を沖合に浮かべて使用するいわゆる沖合浮体式の設置形態であっても沿岸に固設して使用するいわゆる沿岸固定式の設置形態であっても発電動作に何ら支障はない。
【００３０】
ここで、本発明の波力発電装置のエネルギー変換手段となる電場応答性高分子膜が、発電する原理の概要について、図２に基づき説明する。
【００３１】
電場応答性高分子膜１０は、２つの柔軟な電極１０ｂ、１０ｃに挟まれたアクリル系樹脂やシリコーン系樹脂等の高分子膜１０ａで構成されている。従来、多用されていたアクチュエーション（駆動）モードでは、図２（ａ）に示すように電極間に電位差を与えると、静電力により高分子膜１０ａが厚さ方向に収縮し、その結果として、電場応答性高分子膜１０が面方向に伸張し、アクチュエータとして機能する。
【００３２】
一方、発電モードでは、図２（ｂ）に示すようにアクチュエーション（駆動）モードと逆の動き、すなわち、電場応答性高分子膜１０に波力に由来する圧力変化を与えて、電場応答性高分子膜１０を伸張させることにより発電する。
【００３３】
これらモードでは、電場応答性高分子膜１０は、可変容量コンデンサーのように機能していると考えられる。電場応答性高分子膜１０が伸張された際に発電の元となる微量の電荷を電場応答性高分子膜１０に与える。この電荷は、電場応答性高分子膜１０の高分子膜１０ａの表面上に現れる。そして、この膜が弛緩する際、電場応答性高分子膜１０の弾性力が電場圧力に対抗して働き、その結果、電気エネルギーが増加する。ミクロ的には、高分子膜１０ａの弾性力により電荷を各電極１０ｂ、１０ｃに向けて押し出し（収縮状態で高分子膜１０ａの厚さが増加）、また電極１０ｂ、１０ｃ上において各電荷間の距離が短くなる（収縮状態で高分子膜１０ａの平面領域が減少）。
【００３４】
このような電荷の変化が電圧差を増加させ、その結果、静電エネルギー量が増加し、電気エネルギーとして外部の負荷に供給可能になり、電場応答性高分子膜１０が発電要素として機能する。
【００３５】
なお、電場応答性高分子膜１０から電気エネルギーを取り出す具体的回路構成については、前述した特許文献２において開示しているので、ここでは、説明を割愛する。
【００３６】
以下、本発明の電場応答性高分子膜を用いた波力発電装置の概念について、図３に基づいて説明する。
【００３７】
本発明の波力発電装置１００は、水上に設置されるベース部１３０とベース部１３０に配設された発電手段１２０とを備えている。そして、この発電手段１２０は、ベース部１４０に設置され、波を取り込む開口部１２５を有する空気室１２２と、空気室１２２と連通した発電室１２４とを有している。また、発電室１２４の内部には、発電室１２４内の圧力変化により伸張収縮して電気エネルギーを発生する電場応答性高分子膜１３０が張設されている。
【００３８】
そして、空気室１２２内の波Ｗの上下運動、すなわち、水柱往復運動により発生する往復気流Ａを発電室１２４に流し込むことにより、発電室１２４内に張設した電場応答性高分子膜１４０を伸張収縮させて発電を行う。このように本発明の波力発電装置１００は、波の運動エネルギーによって空気室１２２で発生する往復気流を、直接電気エネルギーに変換することができるため、従来の振動水柱方式の波力発電装置に比べて、波のエネルギーを電気エネルギーに変換する過程が一次変換のみでよくため、高いエネルギー変換効率を達成することができる。また、本発明の波力発電装置１００は、発電手段１２０が、エラストマーをベースとした電場応答性高分子膜１３０であるため、従来の振動水柱方式の波力発電装置において課題となっているタービンや発電機を使用することに起因する設備コスト及び設置コストを削減することが可能となる。
【実施例１】
【００３９】
次に、本発明の波力発電装置を構成する発電室の一実施形態である実施例１について、図４乃至図６に基づいて説明する。
ここで、図４は、実施例１の発電室２００の上面図であり、図５は、電場応答性高分子膜２３０が膨張変形する前の図４に示した発電室２００のＶ−Ｖ線における断面図であり、図６は、図５に示した発電室２００の電場応答性高分子膜２３０が膨張変形した後の断面図である。
【００４０】
実施例１の発電室２００は、ロール型電場応答性高分子膜を用いた膨張タイプの発電室であり、ベース台２１０に空気室に連結することにより波力発電装置を構成する。図４及び図５に示すように、離間配置されたベース台２１０の対向する面にそれぞれ突設された一対の膜固定部２２０に電場応答性高分子膜２３０がロール状に張設されている。また、膜固定部２２０の中央には、電場応答性高分子膜２３０内への吸気・排気を制御するための空気弁２４０が設置されており、ベース台２１０の中央に穿孔された通気孔２１２と連通している。なお、空気弁２４０を図示するに際し、中央に○を示したものは、弁が開放状態にあることを示しており、×を示したものは、弁が閉鎖状態にあることを示している。なお、空気弁２４０には、図示はされていないが弁開閉機構を併設し吸気・排気を制御している。弁開閉機構を制御するためのセンサリングには、電場応答性高分子膜２３０の変形時に起きる静電容量、抵抗値の変化、並びに、電場応答性高分子膜２３０によって形成される密閉空間内の空気圧などを用いる。
【００４１】
また、膜固定部２２０間には、電場応答性高分子膜２３０のロール形状を維持するための支軸となる表面に多くの通気穴を有する円筒状の膜内部固定軸２５０が固設されている。この膜内部固定軸２５０により電場応答性高分子膜２３０は長さ方向の変形が制限されるため、横方向への変形、すなわち、膨張することが可能となる。なお、図４乃至図６において、符号２１５を付した穴は、ベース台２１０と空気室、あるいは、複数の発電室２００のベース台２１０同士を連結するときにボルトを貫通させるベース台固定穴であり、符号２６０を付した部材は、電場応答性高分子膜２３０を外部環境（障害物、湿気、熱）から守る収納ケースである。
【実施例２】
【００４２】
次に、実施例１で説明した発電室２００を３つ連結して波力発電装置を構成する実施形態である実施例２について、図７に基づいて説明する。
【００４３】
３つの発電室２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃは、（ａ）に示すように、それぞれ、通気孔を一致させて連結されている。ここで、（ｂ）に示すように、連結状態にある最下部の発電室２００Ａに図示はされていないが空気室から空気が流入すると、発電室２００Ａの電場応答性高分子膜２３０Ａが膨張する。この時、発電室２００Ａ内の一定量の空気圧又は電場応答性高分子膜２３０Ａの変形量により、発電室２３０Ａの上部の空気弁２４０Ａが開放されることで、中段にある発電室２００Ｂに空気が流入する。その結果、発電室２００Ｂの電場応答性高分子膜２３０Ｂが膨張する。さらに、発電室２００Ｂ内の一定量の空気圧又は電場応答性高分子膜２３０Ｂの変形量により、発電室２００Ｂの上部の空気弁２４０Ｂが開放されることで、最上部にある発電室２００Ｃに空気が流入する。その結果、（ｃ）に示すように、発電室２００Ｃの電場応答性高分子膜２３０Ｃが膨張する。
【００４４】
このような動作を行うことで、不確定な波浪からでも、容易に波の運動エネルギーを電気エネルギーに変換できる。また、自然現象の変化による波浪エネルギーの急激な変化があった場合、例えば、台風のような膨大な波浪エネルギーにより、予想外に大量の往復気流が発電室内に流れ込んだ場合には、最上部の発電室２００Ｃの上部の空気弁２４０Ｃを開放させて、空気を外部に放出することにより、電場応答性高分子膜の破損を防ぐことが可能である。
【００４５】
また、従来型の振動水柱方式の発電装置では、タービン等による設備費や、構造物の大型化に伴い発電装置全体のコストが高価であるため、発電装置を複数台設置することが困難であるが、本発明の電場応答性高分子膜を用いた発電装置の場合、発電機は電場応答性高分子膜単体となるため、設備コストの軽減が可能であることから、発電装置を複数台設置して発電量を増やすことが可能である。さらに、本発明の発電装置の場合、従来型の発電装置のようにタービン及び発電機からなる二次変換部分が不要であることから、例えば、水柱往復運動を行う空気室の構造を、設置海域で発生する波の周期に同調するような大きさの空気室を複数個設ける構造とすることが可能となるため、発電量を容易に増やすことができる。
なお、本実施例では、３つの発電室を連結しているが、連結する発電室の数は、所望の発電量を勘案して適宜決定することができる。
【実施例３】
【００４６】
次に、本発明の波力発電装置を構成する発電室の別の実施形態である実施例３について、図８乃至図１０に基づいて説明する。
ここで、図８は、実施例３の発電室３００の上面図であり、図９は、電場応答性高分子膜が膨張変形する前の図８に示した発電室のＩＸ−ＩＸ線における断面図であり、図１０は、図９に示した発電室３００の電場応答性高分子膜が膨張変形した後の断面図である。
【００４７】
実施例３の発電室３００は、ロール型電場応答性高分子膜を用いた伸張タイプの発電室であり、ベース台３１０に空気室に連結することにより波力発電装置を構成する。図８及び図９に示すように、離間配置されたベース台３１０の対向する面間に４本の膜垂直固定フレーム３７０が垂設されている。そして、この膜垂直固定フレーム３７０が挿通する挿通孔を有する２枚の膜固定部３２０がベース台３１０間に配設されている。下側に位置する膜固定部３２０は、ベース台３１０に固設され、上側に位置する膜固定部３２０は、リニアブッシュ３７４を介して上下方向に摺動可能に膜垂直固定フレーム３７０に設置されている。そして、２つの膜固定部３２０の間に電場応答性高分子膜３３０がロール状に張設されている。
【００４８】
一方、膜垂直固定フレーム３７０とリニアブッシュ３７４を介して直交するように膜内部固定フレーム３８０が配設されている。この膜内部固定フレーム３８０は、電場応答性高分子膜３３０のロール形状を維持するための支持フレームである。電場応答性高分子膜３３０は、このフレームに巻き付けられているため、内部に空気圧が掛かった場合、電場応答性高分子膜３３０は、縦方向に伸張する。なお、本実施例では、膜内部固定フレーム３８０を２つ使用しているが、膜内部固定フレーム３８０の配置位置や数量については、電場応答性高分子膜３３０が伸びたときの形状（薄さ等）を考慮に入れ適宜決定する必要がある。
【００４９】
また、膜固定板３２０の中央には、電場応答性高分子膜３３０内への吸気・排気を制御するための空気弁３４０が設置されており、下側は、ベース台３１０の中央に穿孔された通気孔３１２と直接連通しており、上側は、排気パイプ３９０を介して、通気孔３１２と連通している。この排気パイプ３９０は、電場応答性高分子膜３３０の変形に応じてスムーズに伸張収縮可能な、例えば、蛇腹のような構造を有している。なお、空気弁を図示するに際し、中央に○を示したものは、弁が開放状態にあることを示しており、×を示したものは、弁が閉鎖状態にあることを示している。また、空気弁３４０には、図示はされていないが弁開閉機構を併設し吸気・排気を制御している。弁開閉機構を制御するためのセンサリングには、電場応答性高分子膜３３０の変形時に起きる静電容量、抵抗値の変化、並びに、電場応答性高分子膜３３０が形成する密閉空間内の空気圧などを用いる。
【００５０】
また、膜垂直固定フレーム３７０の上端には、電場応答性高分子膜３３０が急激に変形した場合や、電場応答性高分子膜３３０の伸張時における変位制限を行うためのショックアブソーバ３７２が設置されている。なお、図８乃至図１０において、符号３１５を付した穴は、ベース台３１０と空気室、あるいは、複数の発電室３００のベース台３１０同士を連結するときにボルトを貫通させるベース台固定穴であり、符号３６０を付した部材は、電場応答性高分子膜３３０を外部環境（障害物、湿気、熱）から守る収納ケースである。
【実施例４】
【００５１】
次に、実施例３で説明した発電室３００を３つ連結して波力発電装置を構成する実施形態である実施例４について、図１１に基づいて説明する。
【００５２】
３つの発電室３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃは、（ａ）に示すように、それぞれ、通気孔を一致させて連結されている。ここで、（ａ）に示すように、連結状態にある最下部の発電室３００Ａに空気室から空気が流入すると、発電室３００Ａの電場応答性高分子膜３３０Ａが伸張する。この時、（ｂ）に示すように、発電室３００Ａ内の一定量の空気圧又は電場応答性高分子膜３３０Ａの変形量により、発電室３３０Ａの上部の空気弁３４０Ａが開放されることで、中段にある発電室３００Ｂに空気が流入する。その結果、発電室３００Ｂの電場応答性高分子膜３３０Ｂが伸張する。さらに、発電室３００Ｂ内の一定量の空気圧又は電場応答性高分子膜３３０Ｂの変形量により、発電室３００Ｂの上部の空気弁３４０Ｂが開放されることで、最上部にある発電室３００Ｃに空気が流入する。その結果、（ｃ）に示すように、発電室３００Ｃの電場応答性高分子膜３３０Ｃが膨張する。
【００５３】
この動作を行うことで、不確定な波浪からでも、容易に波の運動エネルギーを電気エネルギーに変換できる。また、自然現象の変化による波浪エネルギーの急激な変化があった場合、例えば、台風のような膨大な波浪エネルギーにより、予想外に大量の往復気流が発電室内に流れ込んだ場合には、最上部の発電室３００Ｃの上部の空気弁３４０Ｃを開放させて、空気を外部に放出することにより、電場応答性高分子膜の破損を防ぐことが可能である。
【００５４】
また、従来型のタービンを用いた振動水柱方式の発電装置では、タービンの特性に発電効率が依存するため、発電装置の設備が大型化されてしまうが、本発明の電場応答性高分子膜を用いた発電装置の場合、ユニット化された各発電室を連結することで発電量を容易に増やすことが可能である。
なお、本実施例では、３つの発電室を連結しているが、連結する発電室の数は、所望の発電量を勘案して適宜決定することができる。
【実施例５】
【００５５】
次に、本発明の波力発電装置を構成する発電室の別の実施形態である実施例５について、図１２及び図１３に基づいて説明する。
ここで、図１２は、実施例５の発電室４００の垂直断面図であり、図１３は、図１２に示した発電室４００の電場応答性高分子膜が膨張変形した状態を示した垂直断面図である。
【００５６】
実施例５の発電室４００は、球体型電場応答性高分子膜を用いた発電室であり、ベース台４１０に空気室に連結することにより波力発電装置を構成する。図１２及び図１３に示すように、中央に通気孔４１２を有するベース台４１０上にドーナツ状の膜固定部４２０が固設され、これに球体型の電場応答性高分子膜４３０が固着される。そして、膜固定部４２０の中央には、電場応答性高分子膜４３０内への吸気・排気を制御するための空気弁４４０が設置されている。なお、空気弁を図示するに際し、中央に○を示したものは、弁が開放状態にあることを示しており、×を示したものは、弁が閉鎖状態にあることを示している。また、空気弁４４０には、図示はされていないが、弁開閉機構を併設し吸気・排気を制御している。弁開閉機構を制御するためのセンサリングには、電場応答性高分子膜４３０の変形時に起きる静電容量、抵抗値の変化、並びに、電場応答性高分子膜４３０が形成する密閉空間内の空気圧などを用いる。
なお、図１２及び図１３において、符号４１５を付した穴は、ベース台４１０と空気室を連結するときにボルトを貫通させるベース台固定穴であり、符号４６０を付した部材は、電場応答性高分子膜４３０を外部環境（障害物、湿気、熱）から守る収納ケースである。
【実施例６】
【００５７】
次に、本発明の波力発電装置の一実施形態である実施例６について、図１４に基づいて説明する。
ここで、図１４は、実施例６の波力発電装置５００の全体斜視図である。
【００５８】
実施例６の波力発電装置５００は、４つの発電手段５２０、５４０、５６０、５８０が、ベース部５１０に配設された構成をしている。このベース部５１０は、水上に浮かぶ浮体として構成されており、係留ロープ５９２により、海底のアンカー５９０に係留されている。４つの発電手段５２０、５４０、５６０、５８０は、それぞれ、発電室５２４、５４４、５６４、５８４と空気室５２２、５４２、５６２、５８２とから構成されている。そして、各空気室５２２、５４２、５６２、５８２は、固有周期の異なる、すなわち、空気室内の振動水柱部の水線面積Ａｗが異なるように構成されている（前述の数式１参照）。これにより、波の周期、波高の変化による同調周期の依存性を軽減することができる。なお、本実施例においては、４つの発電手段をベース部に配設しているが、発電手段の数はこれに限られることなく、所望の発電量などを勘案して適宜設定することが可能である。
【００５９】
従来の波力発電装置では、発電装置を設置する海域の選定をするに当たり、調査結果に基づきタービンの選定、発電設備などの設計を行っていたが、気象状況や波の周期の変化により最適な発電量を得ることは困難であった。また、従来の波力発電装置では、タービンや発電機などの設備コスト高により、空気室を多数設けることが不可能であった。
【００６０】
本実施例の波力発電装置５００では、発電手段が従来のタービン発電機に比べて少ないコストで製造が可能であり、且つ、図１４に示すように、各空気室の開口部の大きさを変えることにより、空気室の固有周期を異ならせるとともに、ある程度の周期幅に合わせ、波取り入れ口の大きさを変えた空気室を複数、ベース部５１０に配置する。このような形状を取り入れることで、水柱往復運動を気象条件の変化や、低波高値・高波高値、波の周期に適応することで、効率的な発電が可能である。
【実施例７】
【００６１】
次に、本発明の波力発電装置の別の実施形態である実施例７について、図１５に基づいて説明する。
ここで、図１５は、実施例７の波力発電装置６００の全体斜視図である。
【００６２】
実施例７の波力発電装置６００は、４つの発電手段６２０、６４０、６６０、６８０が、ベース部６１０に配設された構成をしている。このベース部６１０は、海岸の護岸Ｗに固設されている。４つの発電手段６２０、６４０、６６０、６８０は、それぞれ、発電室６２４、６４４、６６４、６８４と空気室６２２、６４２、６６２、６８２とから構成されている。そして、各空気室６２２、６４２、６６２、６８２は、固有周期の異なる、すなわち、空気室内の振動水柱部の水線面積Ａｗが異なるように構成されている（前述の数式１参照）。これにより、波の周期、波高の変化による同調周期の依存性を軽減することができる。その他の点については、実施例６と同じであるので説明は割愛する。
【実施例８】
【００６３】
次に、本発明の波力発電装置の別の実施形態である実施例８について、図１６に基づいて説明する。
ここで、図１６は、実施例８の波力発電装置の正面図である。
【００６４】
図１６において、符号Ｄで示した構造物は、港湾内の水域に杭などを打ち込んで作る係留施設である、いわゆるドルフィンである。ドルフィンＤを構成する柱杭は、木製ないしケーソンや矢板で作られ、陸域から離れた海域に海底に打ち込んで固定される。柱杭の上部は水面上に出ており、船舶Ｓが係留できるようになっている。ここで、ドルフィンＤと船舶Ｓとを係留する係留ロープに電場応答性高分子膜Ｅを用いる。電場応答性高分子膜Ｅと船舶Ｓとの固定部Ｂには、例えば、静電吸着方式を用いることができる。そして、船舶Ｓの係留時の揺れにより電場応答性高分子膜Ｅが伸張収縮することにより発電する。発電した電力は、係留中の船舶への電力供給などに利用することができる。
【００６５】
本実施例の波力発電装置によれば、電場応答性高分子膜Ｅをダンパーとして用いることで船舶Ｓの揺れを抑える効果も奏される。また、可動式桟橋などの浮体の係留部分でも同様な発電を行うことができる。さらに、潮位変化のような緩やかな海面変化に影響されず、発電を行うことができる。
【実施例９】
【００６６】
次に、本発明の波力発電装置の別の実施形態である実施例９について、図１７に基づいて説明する。
ここで、図１７は、実施例９の波力発電装置の全体斜視図と、一部拡大図である。
【００６７】
図１７において、符号Ｆで示した構造物は、港やマリーナなどに設置されている防波堤の開口部の海底に設置される消波板である。この消波板Ｆは、電場応答性高分子膜Ｅを介して固定用柱Ｃにフレキシブルマウントされている。そして、港やマリーナに侵入する波の力により、電場応答性高分子膜Ｅが変形することにより、消波板Ｆが揺動し波の波高を小さくするものである。この時の、電場応答性高分子膜Ｅの変形により発電する。発電した電力は、港やマリーナの照明施設の電源や停泊中の船舶への電力供給用などに利用することができる。
【実施例１０】
【００６８】
次に、本発明の波力発電装置の別の実施形態である実施例１０について、図１８に基づいて説明する。
ここで、図１８は、実施例１０の波力発電装置の側面図である。
【００６９】
（ａ）に示すように、空気を密封した球状の電場応答性高分子膜Ｅを上半分が海中に出るように海底に設置する。こうすることで、電場応答性高分子膜Ｅが海中を流れる海流を受けると（ｂ）のように変形する。この変形を利用して発電する。電場応答性高分子膜Ｅは、球状であるのでどちらの方向からの海流に対しても変形することができる。そして、空気が密封してあることにより、電場応答性高分子膜Ｅは、ボールのように変形するので、波が受けていないときには球状に戻る。したがって、継続的に押し寄せる海流により、電場応答性高分子膜Ｅは、伸張収縮を繰り返し効率よく発電することができる。発電した電力は、ブイの電源などに利用することができる。さらに、この波力発電装置を海底に設置することにより、消波効果も得られる。また、サーファーや釣り人などが波にさらわれて海底にたたきつけられたときに、海底に設置された電場応答性高分子膜Ｅがクッションの働きをし、危険を回避するという効果も期待される。
【実施例１１】
【００７０】
次に、本発明の波力発電装置の別の実施形態である実施例１１について、図１９及び図２０に基づいて説明する。
ここで、図１９は、実施例１１の波力発電装置の正面図であり、図２０は、図１９のＸＸ−ＸＸ線における断面図である。
【００７１】
実施例１１の波力発電装置は、図１９に示すように対峙する護岸Ｗ間に軸Ｓを中心に揺動する振り子Ｐを設け、波により振り子Ｐを揺動させることにより、振り子Ｐの上端部と護岸Ｗとの間に張設された電場応答性高分子膜Ｅを伸張収縮させて発電を行う。本実施例の波力発電装置によれば、波の去来運動に加えて振り子Ｐの慣性運動も利用することができるので、より効率的な発電を行うことができる。発電した電力は、灯台の電源や停泊中の船舶への電力供給などに利用することができる。
【実施例１２】
【００７２】
次に、本発明の波力発電装置の別の実施形態である実施例１２について、図２１に基づいて説明する。
ここで、図２１は、実施例１２の波力発電装置の全体斜視図である。
【００７３】
実施例１２の波力発電装置は、港湾工事や海洋工事などにおいて、防波堤や橋梁の水中構造物として使用される開口部を有するケーソンＣの少なくとも一つの開口部に電場応答性高分子膜Ｅを張設したものである。このケーソンＣが波を受けることにより、電場応答性高分子膜Ｅが伸張収縮して発電を行う。発電した電源は、工事用機械への電力供給などに利用することができる。
【００７４】
以上のように、本発明の波力発電装置は、何れも、波などの動きから電気エネルギーを得るものであり、得られた電気エネルギーは、商用電源の他、港湾設備の電源や照明用電力、養殖などの海洋産業に用いる設備や照明などの電源として用いることができる。また、停泊中の船への電源を供給することも可能である。また、従来の振動水柱方式の波力発電装置に比べて、固有周期などの制約が少なく、低い周波数帯の波から高い周波数帯の波まで、あるいは、周期が定まっていない非定周波の波など波力エネルギーの変化に柔軟に対応可能で、高い発電効率を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の波力発電装置は、簡単な構成で、メンテナンスもほとんど必要なく、さまざまな海域及びさまざまな気象条件で利用可能である発電装置を提供するものであるのみならず、既存の太陽光発電装置の発電効率の落ちる悪天候のときには、波の高いことが多いため太陽光発電装置と併用したときの補完性にも優れており、地球温暖化の原因である二酸化炭素などの温室効果ガスの発生が皆無であるため、その産業上の利用可能性は、きわめて高い。
【符号の説明】
【００７６】
１  ・・・  波力発電装置
２  ・・・  浮体
３  ・・・  空気タービン
４  ・・・  発電機
５  ・・・  空気室
６  ・・・  振動水柱
１０  ・・・  電場応答性高分子膜
１０ａ  ・・・  （電場応答性高分子膜の）高分子膜
１０ｂ、１０ｃ  ・・・  （電場応答性高分子膜の）電極
１００  ・・・  波力発電装置
１２０  ・・・  発電手段
１２２  ・・・  空気室
１２４  ・・・  発電室
１２５  ・・・  開口部
１３０  ・・・  電場応答性高分子膜
１４０  ・・・  ベース部
２００、３００、４００、５００  ・・・  発電室
２１０、３１０、４１０  ・・・  ベース台
２１２、３１２、４１２  ・・・  通気孔
２１５、３１５、４１５  ・・・  ベース台固定穴
２２０、３２０、４２０  ・・・  膜固定部
２３０、３３０、４３０  ・・・  電場応答性高分子膜
２４０、３４０、４４０  ・・・  空気弁
２５０  ・・・  膜内部固定軸
２６０、３６０  ・・・  収納ケース
３７０  ・・・  膜垂直固定フレーム
３７２  ・・・  ショックアブソーバ
３７４  ・・・  リニアブッシュ
３８０  ・・・  膜内部固定フレーム
３９０  ・・・  排気パイプ
５００、６００  ・・・  波力発電装置
５１０、６１０  ・・・  ベース部
５２０、５４０、５６０、５８０、６２０、６４０、６６０、６８０  ・・・  発電手段
５２２、５４２、５６２、５８２、６２２、６４２、６６２、６８２  ・・・  空気室
５２４、５４４、５６４、５８４、６２４、６４４、６６４、６８４  ・・・  発電室
５９０  ・・・  アンカー
５９２  ・・・  係留ロープ
Ｗ  ・・・  護岸
Ｅ  ・・・  電場応答性高分子膜
Ｄ  ・・・  ドルフィン
Ｓ  ・・・  船舶
Ｂ  ・・・  固定部
Ｆ  ・・・  消波板
Ｇ  ・・・  固定用柱
Ｓ  ・・・  軸
Ｐ  ・・・  振り子
Ｃ  ・・・  ケーソン
【図１】
2010275906.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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