(57)【要約】垂直ダクト２’’、室３’’、空気ダクト４’’、および自己整流タービン５’’が設けられてなるケーソン防波堤。外部開口６における波の圧力の変動によって水が入ったり出たりを繰り返し、室３’’の空気が圧縮と膨張を交互に繰り返して、空気ダクト４’’に往復する空気流が生み出される。垂直ダクト２’’および室３’’がＵ字管を構成し、室３’’の空気がばねとして機能する。このＵ字管内の振動の固有周期は、垂直ダクト２’’の幅が小さくなるにつれ、さらに／または垂直ダクトの長さが長くなるにつれ、さらに／または室３’’の幅および高さが増すにつれて増加する。固有周期は、一年において最大の量の波エネルギーを運搬する波動の波の周期に近くなるよう固定され、波エネルギーのうちのきわめて多くの量が吸収される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーソン防波堤であって、
当該ケーソン防波堤の少なくとも１つのケーソン（１）が、垂直ダクト（２）、室（３）、および前記室（３）を外気と接続している少なくとも１つの空気ダクト（４）からなり、
前記垂直ダクト（２）が、前記ケーソン（１）の波に叩かれる方の側にあり、
前記垂直ダクト（２）が、ケーソン（１）のほぼ全体にわたって広がっており、
前記垂直ダクト（２）が、海面の直下に位置する上部開口（６）によって海に接続されており、
前記垂直ダクト（２）が、下部開口（７）を通じて、あるいは水平または斜めのダクト（１９）を通じて室（３）に接続されており、
前記室（３）が、ケーソン（１）のほぼ全体にわたって広がっており、
前記室（３）は、一部が海面下にあるとともに一部が海面上にあり、
前記空気ダクトまたは空気ダクト（４）が、少なくとも１つのタービン（５）を有している
ことを特徴とするケーソン防波堤。
【請求項２】
縦方向の壁（１４’、１４’’）によって、垂直ダクト（２）が複数の部位（２、２’’、２’’’）へと分割されるとともに、室（３）が小部屋（３’、３’’、３’’’）へと分割され、
前記小部屋（３’、３’’、３’’’）のそれぞれが、タービン（５’、５’’、５’’’）を備える少なくとも１つの空気ダクト（４’、４’’、４’’’）によって外気へと接続されるとともに、空気ダクト（４’、４’’、４’’’）にバルブ（９’、９’’、９’’’）または他の閉鎖装置が備えられている
請求項１に記載のケーソン防波堤。
【請求項３】
縦方向の壁（１４’、１４’’、１４’’’、１４ＩＶ、１４Ｖ）によって、垂直ダクト（２）が複数の部位（２、２’’、２’’’、２ＩＶ、２Ｖ、２ＶI）へと分割されるとともに、室（３）が小部屋（３’、３’’、３’’’、３ＩＶ、３Ｖ、３ＶI）へと分割され、
例えば壁（１４’、１４’’、１４’’’、１４ＩＶ、１４Ｖ）の開口（１５’、１５’’、１５ＩＶ、１５Ｖ）を通じ、空気が小部屋（３’、３’’、３’’’、３ＩＶ、３Ｖ、３ＶI）または前記小部屋からなるグループを通って循環でき、
小部屋（３’、３’’、３’’’、３ＩＶ、３Ｖ、３ＶI）の空気が、タービン（５’、５’’）およびバルブ（９’、９’’）または他の閉鎖装置が設けられてなる少なくとも１つの空気ダクト（４’、４’’）を通じて外気に接続されている
請求項１に記載のケーソン防波堤。
【請求項４】
縦方向の壁（１４’、１４’’、１４’’’、１４ＩＶ、１４Ｖ）によって、垂直ダクト（２）が複数の部位（２、２’’、２’’’、２ＩＶ、２Ｖ、２ＶI）へと分割されるとともに、室（３）が小部屋（３’、３’’、３’’’、３ＩＶ、３Ｖ、３ＶI）へと分割され、
小部屋（３’、３’’、３’’’、３ＩＶ、３Ｖ、３ＶI）が、タービン（５’、５’’）が設けられてなる少なくとも１つの空気ダクト（４’、４’’）に（直接または分配盤を介して）合流する管（１６’、１６’’、１６’’’、１６ＩＶ、１６Ｖ、１６ＶI）を通じて外気に接続され、
管（１６’、１６’’、１６’’’、１６ＩＶ、１６Ｖ、１６ＶI）に、バルブ（９’、９’’、９’’’、９ＩＶ、９Ｖ、９ＶI）または他の閉鎖装置が設けられている
請求項１に記載のケーソン防波堤。
【請求項５】
室（３）に縦方向の隔壁（１８）が設けられ、
前記隔壁（１８）が、室（３）の全幅について広がっており、高さについては、天井（８）から下方へと前記室（３）の底部に届くことなく広がっている
請求項２に記載のケーソン防波堤。
【請求項６】
環境にやさしい動力の工場であって、請求項１、２、３、４または５に記載のケーソン防波堤、および前記ケーソン防波堤の背後の保護された水面に位置する多数の風車からなることを特徴とする環境にやさしい動力の工場。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波の反射を小さくして港または海水面を保護することができ、かつ波エネルギーを電力に変換することができるケーソン防波堤を開示する。
【背景技術】
【０００２】
ケーソン防波堤（例えば、Ｇｏｄａ  Ｙ．の「沿岸構造物の耐波設計（Ｒａｎｄｏｍ  Ｓｅａｓ  ａｎｄ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｍａｒｉｔｉｍｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」（Ｗｏｒｌｄ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、２０００年）の第４章、またはＢｏｃｃｏｔｔｉ  Ｐ．の「海洋工学のための波動力学（Ｗａｖｅ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ  ｆｏｒ  Ｏｃｅａｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）」（Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、２０００年）の第１３章を参照されたい）は、海底の基礎上に配置された鉄筋コンクリートのケーソンから構成され、これらケーソンが互いに近接して配置され、あるいは互いに接続されている。個々のケーソンは、垂直壁によって複数の小部屋へと分割されている。通常、これらのケーソンは乾ドックで製造され、曳航され、沈められる。各小部屋は、砂、および／または砂利、および／またはコンクリート、あるいは他の種類のおもりで満たされている。このようにして、コンクリートによる構造物が作られる。
【０００３】
ケーソン防波堤は、容易に製造することができ耐久性にも優れているため、港湾の防護にきわめて好適である。唯一の欠点は、入射する波エネルギーをほぼすべて反射してしまい、その結果、防波堤を離れる波の高さが大きくなり、巨大な上方への奔流が生じる点にある。当然ながら、波動の増幅は、港に近づくボートや船舶に危険を及ぼしかねず、上方への奔流は、港湾内の人々や施設およびボートに危険を及ぼしかねない。
【０００４】
海底へと沈められるケーソンであって、ケーソンと同じ幅の空洞部分および垂直ダクトを備えているケーソンが、米国特許第６，４５０，７３２号明細書に開示されている。垂直ダクトの上部開口が海面の直下にあり、水がこの開口を通って代わる代わる交互にケーソン内へと入り、ケーソンから出る。ケーソン内の空洞部分の高さは、空気の排気または放出のための手段によって調節されている。調節は、ケーソン内における自由振動の固有周期が波動の周期に近くなるように行なわれる。米国特許第６，４５０，７３２号明細書の実施形態は、流れが反転しても回転方向が変化しない自己整流タービン（例えばウェルズ・タービン）を備えている。このタービンが、垂直ダクトの小さい部分内に位置し、ダクト内の高速の水流によって駆動される。
【０００５】
米国特許第６，４５０，７３２号明細書に開示の設備は、波エネルギーをきわめて良好に吸収し、環境への影響がきわめて小さい水没式の防波堤の建造にきわめて好都合に利用することができる。しかしながら、これらの防波堤は、海岸を浸食から守ることができるが、波エネルギーの一部がこれら防波堤を乗り越えるため、港湾を保護することはできない。さらに、空洞部分が圧力下にある米国特許第６，４５０，７３２号明細書のケーソンは、圧縮機を必要とし、さらに空気の漏れを抑制する必要がある。波エネルギーの変換装置として眺めた場合、米国特許第６，４５０，７３２号明細書のケーソンはタービンを海面の直下に備えており、保守点検にいくらかの困難を伴い、発電機のための防水室も必要である。
【０００６】
ＯＷＣ（振動水柱型）として知られる従来からの波エネルギー変換装置が、多くの科学文献に記載されている。それらは、海岸、ケーソン防波堤、または水没構造のいずれに設置されるかによって、海岸ＯＷＣ（米国特許第５，１９１，２２５号明細書を参照）であり、防波堤ＯＷＣ（Ｔａｋａｈａｓｈｉ  Ｓ．らによる第２３回海岸工学国際会議（Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｏｎ  Ｃｏａｓｔａｌ  Ｅｎｇ．）（米国土木学会（Ａｍｅｒ．Ｓｏｃ．Ｃｉｖｉｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）、ニューヨーク、１９９２年）の論文集３４４０〜３４５３頁を参照）であり、あるいは浮動ＯＷＣ（米国特許第６，１９４，７９１号明細書を参照）である。ＯＷＣは、基本的に、天井が海面よりも上方に位置するように海底に置かれた箱体から構成され、主たる垂直壁（波によって叩かれる垂直壁）に大きな垂直の開口を備えてなる。この垂直の開口は、波がＯＷＣ内へと伝播することができるよう、海底の近くから海面の近くまで広がっている。海面と箱体の天井との間の空気が、海面の波動によって交互に圧縮と膨張を繰り返す。空気ダクトがＯＷＣを外気へと接続しており、自己整流タービンが、この空気ダクト内を往復する空気流によって駆動される。
【０００７】
このように、我々が以下で提示しようとする本発明の吸収装置と異なり、ＯＷＣは、ばねとして機能する空洞部分を有するＵ字管ではない。したがって、ＯＷＣは、Ｕ字管における自由振動の固有周期が波動の周期と一致する自然共鳴を利用することができない。このため、効率を改善するため、いくつかのＯＷＣでは、個々の波のそれぞれについて位相を制御するため、いくつかの複雑な装置によって強制共鳴を利用している（Ｋｏｒｄｅ  Ｕ．Ａ．の応用海洋研究（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｃｅａｎ  Ｒｅｓ．）、第１３巻（１９９１年）を参照）。
【０００８】
要約すると、ＯＷＣは、主たる垂直壁に大きな垂直の開口を必要とし、構造が従来のケーソン防波堤のコンパクトな構造と大きく異なっている。さらに、ＯＷＣは、効率を高めるために、位相制御のための複雑な装置をいくつか必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、
（ｉ）港湾の防護に適しており、
（ｉｉ）入射する波エネルギーのわずかな部分しか反射させず、波エネルギーを電力に変換し、
（ｉｉｉ）タービンを海面よりも上方に備えており、圧縮機などの手段が不要であり、空気漏れの抑制も不要であり、
（ｉｖ）ばねとして機能する空洞部分を有するＵ字管からなる吸収装置を有しており、
（ｖ）Ｕ字管の振動の固有周期が波の周期に近いことによって自然共鳴を利用でき、したがって位相制御のための複雑な装置が不要であり、
（ｖｉ）従来からのケーソン防波堤と同様のコンパクトな構造、およびすでに確立された建設手法を有する
ケーソン防波堤を生み出すことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のこの課題は、ケーソンが図１に示すように製造されているケーソン防波堤によって達成される。具体的には、ケーソン１が、
（ｉ）ほぼケーソン１の全体に広がるとともに、上部開口６を通じて海へと接続されている垂直ダクト２、
（ｉｉ）ほぼケーソンの全体に広がるとともに、開口７を通じて垂直ダクト２に接続されており、底部が海面下に位置するとともに天井８が海面よりも上方に位置している室３、
（ｉｉｉ）室３を外気に接続している空気ダクト４、
（ｉｖ）空気ダクト内の自己整流タービン５
を備えている。
【００１１】
垂直ダクト２および室３がＵ字管を構成し、室３内の空気がばねとして機能する。このＵ字管内における振動の固有周期は、
（ｉ）垂直ダクト２の幅が小さくなる、
（ｉｉ）垂直ダクト２の長さが増加する、
（ｉｉｉ）室３の幅および高さが大きくなる、
（ｉｖ）空気ダクト４の直径が大きくなる
と増大する。
【００１２】
垂直ダクト２の幅および長さ、ならびに室３の幅および高さは、固有周期が一年を通じて最大の量のエネルギーを運搬する波動の波の周期に近くなるよう固定される。我々の長期にわたる波の統計的分析に基づく一例では、地中海の設備においては固有周期を約６秒に設定すべきである。
【００１３】
本発明による設備は、次のとおり機能する。波の作用によって、垂直ダクト２の外部開口６において圧力が変動する。この圧力変動が、垂直ダクト２および室３で構成されるＵ字管内の水に、振動を引き起こす。この結果、室３内の空気が圧縮および膨張し、空気ダクト４内に往復空気流が生み出される。この空気流が、自己整流タービン５を駆動する。このように、すでに述べた通りＯＷＣ内へと波が伝播するのに対し、本発明の設備内には波が伝播しない。
【００１４】
我々の見積もりによれば、固有周期が波浪階級の波のスペクトルのピーク周期に近接している共鳴条件下において、この設備によって入射する波エネルギーの最大８０％〜９０％を吸収することができ、すなわち、反射される波エネルギーは入射する波エネルギーのわずか１０％〜２０％にまで減らされる。この計算は、風によって生じる無作為の波動の数値的模擬計算を通じて行なわれたものである（Ｂｏｃｃｏｔｔｉ  Ｐ．の「海洋工学のための波動力学」（２０００年）の第４章および第８章を参照されたい）。
【００１５】
制御に関しては、室３内の水が天井８に衝突することがないように確認しなければならない。この事象は、猛烈な嵐において生じうる。室３内の水位が或るしきい値を超えた場合、バルブ９を閉じなければならない。室３内の水位は、天井８に取り付けた超音波プローブによって測定することができる。
【００１６】
本発明の設備が自然共鳴を利用していることを考えると、位相制御はまったく必要がない。最後に、室３内の空気圧の平均が大気圧に等しいことを考えると、空気の漏れの抑制はもちろん、圧縮機も必要がない。
【００１７】
本発明の設備がＵ字管内での自然共鳴を利用していることを考えると、必要なものは比較的小さい水平方向の外部開口６だけである。さらに、Ｕ字管（すなわち垂直ダクト２および室３）は、ケーソン１の基部の上方に好都合に位置でき、Ｕ字管の下方の空間をコンクリートで埋めることができる。これにより、本発明のケーソン防波堤は、従来のケーソン防波堤とほぼ同様のコンパクトな構造を有する。
【００１８】
以下、図面を参照しつつ本発明を説明するが、以下の説明はあくまで例示を目的とするものであり、本発明を限定するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の防波堤は、従来のケーソン防波堤と同様、互いに近接しあるいは一体に接続された複数のケーソンで構成される。従来のケーソン防波堤のケーソンと同様、本発明の防波堤のケーソン（図２〜１２を参照）も、通常、海底１７の粗石の盛り土の基礎１３上に置かれており、防波堤のケーソン１は、砂、および／または砂利１１、および／またはコンクリート１２で満たされた小部屋を備えている。従来のケーソン防波堤と同様、各ケーソン上に上部構造体１０がコンクリートで成型されている。
【００２０】
第１の実施形態（図２、３、４）においては、何枚かの縦方向の強化壁１４’、１４’’によって、垂直ダクトが複数の部位２、２’’、２’’’に分割され、室３が小部屋３’、３’’、３’’’に分割されている。これら小部屋３’、３’’、３’’’のそれぞれは、自己整流タービン（例えばウェルズ・タービン）５’、５’’、５’’’およびバルブ９’、９’’、９’’’を備える固有の空気ダクト４’、４’’、４’’’によって、外気へと接続されている。
【００２１】
第２の実施形態（図５、６、７）においては、天井８の付近において縦方向の壁１４’、１４’’、１４ＩＶ、１４Ｖに開口１５’、１５’’、１５ＩＶ、１５Ｖが設けられている。この開口が、小部屋３’、３’’、３’’’の１つから他の１つへと空気が流れるようにし、小部屋３ＩＶ、３Ｖ、３ＶIの１つから他の１つへと空気が流れるようにしている。小部屋３’、３’’、３’’’は、自己整流タービン５’およびバルブ９’を備える空気ダクト４’によって外気へと接続され、小部屋３ＩＶ、３Ｖ、３ＶIは、自己整流タービン５’’（図では見えていない）およびバルブ９’’（図では見えていない）を備える空気ダクト４’’によって外気へと接続されている。
【００２２】
第３の実施形態（図８、９、１０）においては、縦方向の壁１４’、１４’’、１４’’’、１４ＩＶ、１４Ｖに開口はなく、小部屋３’、３’’、３’’’が、バルブ９’、９’’、９’’’が設けられている管１６’、１６’’、１６’’’を通じて空気ダクト４’に接続され、小部屋３ＩＶ、３Ｖ、３ＶIが、バルブ９ＩＶ、９Ｖ、９ＶIが設けられている管１６ＩＶ、１６Ｖ、１６ＶIを通じて空気ダクト４’’に接続されている。空気ダクト４’および４’’は、自己整流タービン５’、５’’を収容するとともに、外気へと接続されている。
【００２３】
第４の実施形態は、第２の実施形態をさらに高度化した変形例であり、高さ方向において天井８から下方に延び、室３の底部にまでは届いていない縦方向の隔壁が設けられている。空気ダクト４’のバルブ９’を閉じることによって固有周期が短くなり、比較的短い周期の風浪において、生み出される電力が大きくなる。
【００２４】
すべての実施形態において、代案（図１２）として、垂直ダクト２を水平または斜めのダクト１９を通じて室３に接続することができる。この水平または斜めのダクト１９を挿入することによって、固有周期の増大がもたらされる。
【００２５】
地中海と比べ、波によるエネルギー束が１桁以上大きい海域においては、本発明の防波堤を、（港湾の防護のためではなく）発電のみを目的として建設してもよい。
【００２６】
本発明によるケーソン防波堤、およびこの防波堤の背後の保護された水面に位置する多数の風車によって、グリーン・エネルギーの工場が作り出される。この工場の第１の利点は、沖に向いた風車への波の影響を排除できる点にある。第２の利点は、より一定した電力生産が得られるという点にある。実際、この工場は、風が吹いていない場合においても、うねりのエネルギーを利用して電力を生みだすことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明のケーソン防波堤は、従来のケーソン防波堤と同じく、鉄筋コンクリートによる堅固な構造を有している。さらに、建設手法も同じであり、全体の寸法もほぼ同じであり、滑りおよび転倒に対する安全係数を同じにし、基礎への荷重を同じにした場合、通常、本発明による防波堤のケーソンの幅は、従来のケーソン防波堤の幅と比べ約５％だけ大きくなることがわかっている。この水力機械は、１ｍ〜１．５ｍの間の直径のタービンを、通常はケーソン毎に１つ備えてなり、きわめて簡潔である。この設備は、Ｕ字管の自然共鳴を利用しており、位相制御を必要としないため、制御も最小限に減らされている。
【００２８】
全体としての簡潔さにもかかわらず、本発明の防波堤は、従来のケーソン防波堤に対し２つの重要な利点を有している。第１に、本発明の防波堤は、入射する波エネルギーの一部を電力に変換する。第２に、反射される波エネルギーがより少ない。我々の計算によれば、いくつかの特徴的なスペクトルを有する風によって生じる無作為の波の数学的模擬計算に基づくと、本発明の防波堤は、一年間に入射する波エネルギーの７０％以上を吸収することができ、吸収したエネルギーの３分の１以上を電力に変換することができる。この計算においては、単純な単葉のウェルズ・タービンの効率について、ＣｕｒｒａｎおよびＧａｔｏによる線図（機械学会論文集（Ｐｒｏｃ．Ｉｎｓｔ．Ｍｅｃｈ．Ｅｎｇｒｓ．）、第２１１巻、１９７７年）を利用した。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のケーソン防波堤の概略図である。
【図２】本発明による防波堤のケーソンの第１の実施形態の縦断面図であり、図３および４の面I‐Iに沿った縦断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の水平断面図であり、図２の面II‐IIに沿った水平断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の水平断面図であり、図２の面III‐IIIに沿った水平断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の縦断面図であり、図６および７の面I‐Iに沿った縦断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の水平断面図であり、図５の面II‐IIに沿った水平断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の水平断面図であり、図５の面III‐IIIに沿った水平断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の縦断面図であり、図９および１０の面I‐Iに沿った縦断面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態の水平断面図であり、図８の面II‐IIに沿った水平断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の水平断面図であり、図８の面III‐IIIに沿った水平断面図である。
【図１１】第４の実施形態の縦断面図である。
【図１２】第５の実施形態の縦断面図である。
【図１】
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【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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【国際調査報告】
2005531720.tif 000015
2005531720.tif 000016
2005531720.tif 000017