(57)【要約】【課題】  従来型波力発電装置は、水室を備えたケーソンと振り子との共振が、高効率の波力発電を可能にした。その一方で製造コスト高のケーソンを使用しない新技術の要望も高まっている。そのためには、振り子が波浪と共振できる新方式の実現が、カギを握ると考えられる。【解決手段】押し寄せる波浪に、正面から立ち向かう振り子板の背面に、振り子板幅と同一長さの径の大きい中空円筒を、振り子と一体的に揺動軸と平行に取り付けることで、波浪と振り子との共振が可能となる、単純構造の波力発電機を考案した。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
海底に固定される４本の柱に支えられ、海面上に水平・平行に配置する一対の台に対して、この台と直角方向に振り子板の揺動軸が水平に軸支され、この軸に取り付けられた平板状の振り子板は、海水中へ垂直に吊り下げられ、波浪の波力が振り子板に対し正面に働く向きに配置し、揺動軸の一端は油圧ポンプ軸に直結し波力を受け振り子板が振り子運動すると、その運動がポンプに伝わり、油圧変速機を介して発電機駆動する波力発電装置において、波力が働かない振り子板の裏側に揺動軸中心線と円筒中心線が平行となる向きに大型円筒形浮体を一対の連結側板で結合した、ケーソンを使用しない振り子式波力発電装置
【請求項２】
円筒形浮体の外径は振り子長さの６５％であり、円筒形浮体の長さは振り子幅に等しくすることに加え、揺動軸中心から浮体の円中心までの距離は振り子長さの６８％にする一方、内部は中空で海水を注入することで振り子が垂直位置で安定するように調整可能としたことを特徴とする請求項１に記載の振り子式波力発電装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、海洋波から振り子を介して発電する波力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  これまでの振り子式波力発電装置は、海洋波が出入りする水室を備えたケーソンを、装置据え付け母体にしている。図１で示すように、ケーソン１５の水室１４内に振り子１６を吊り下げ、振り子１６が室内波動と共振するように構成している。振り子１６は振り子揺動軸１７と一対の大型軸受１８，１８により、水室１４の後壁から１／４波長位置に揺動可能に軸支されている。この波動節部となる位置では、上下波動が常時零になる一方、水平波動が倍になる物理現象が骨幹である。ベーンポンプ１９により油圧エネルギーに変換し、オイルモータ２０で回転運動にして、発電機２１により発電させる。波動による活発な振り子運動を出現させる。これは波浪の円振動数ωと、振り子の固有円振動数ω０が一致した共振運動で、エネルギー変換効率が大変良い。その理由の一つが、水室内の海水が共振の発生・安定化に貢献しているからである。【０００３】  図１の従来型波力発電装置は、比較的容易に最適運転条件に合わせ、調整することができる性質を備えていたので、初心者には扱いやすかった。その理由は、ケーソンの存在に深く関係するが、まずは図１の振り子につき、運動方程式を検討する。
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【０００４】  式（１）は、右辺のＭ０：波による駆動モーメント  により、左辺の被動側（３種類の特性負荷）に、それぞれ負荷トルクが働く状態を示す。しかし直接発電に関わるのは、発電機駆動油圧変速機のポンプ軸トルクを表すＮ０ただ一つであり、他の５種類の反力は発電に直接関係ない動きをしている。注目すべきは、共振運動との関係である。振り子の固有円振動数ω０は式（２）で示される。
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【０００５】  式（２）は、ω０が振り子系の復合ばね定数と、同じく複合慣性モーメントとの比で決まることを示す。これらは機械部分の値と、付加水による値とを合計した複合値である。機械部分値を１とすると、付加水による値は約１０〜２０の比率なので、共振特性は付加水に支配され、ほぼ付加水特性を反映したものになる。例えば水室の長さを、波長の１／４より振り子揺動軸受寸法だけ長い寸法にすれば、ほぼ最適の振り子式波力発電装置になった。これには波長が同一と仮定した、入射波と反射波との干渉作用や、付加水のばね定数が関与している。【０００６】  付加水のばね定数：Ｋは、振り子の角変位に伴う室内水位変動と、それによる水圧変化（角変位に比例する）による復元モーメントから求まる。次式に示す。
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【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】  特開平１５−    号  公報
【非特許文献】
【非特許文献】  近藤  俶郎、海洋エネルギー利用技術、森北出版、２０１５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  従来の波力発電装置の最大課題は、設備コストの大幅削減であった。鉄筋コンクリート製の頑丈で大型のケーソン製作費用が、最大の問題点であった。この経費削減が可能ならば、振り子式波力発電の実用化が可能になると考えられる。そのためには、ケーソンが無くても振り子が波の動きと共振できる新方式の実現であろう。【０００９】  振り子式波力発電は、可動物体としての振り子が、波浪の加振力を受け応答する現象を利用したものである。単基出力１０メガワット、発電単価１０￥（ｋＷｈ当たり）を実現する可能性を秘めているが、研究が渋滞していて強力なアイデアが待たれている。従来のケーソンを有する振り子式波力発電方式では、ケーソンと機械装置の一体化で上手く機能するが、まだケーソン製作費低減問題と、嵐対策に未解決課題が残る。【００１０】  従来のケーソンを有する振り子式構造のままケーソン無しにしたものや、倒立振り子式（ケーソン無し）が提案・研究されたが、実用化に至らなかった。その原因は、効率不良（共振に失敗）である。【００１１】  本発明者は、ケーソン無しの振り子式波力発電につき理論研究した結果、ケーソン無し方式の振り子が共振できぬ量的原因を明らかにした。その情報は、“ケーソン無し”の下でとるべき方向を示していた。それに向けた各種構造設計を試み、ケーソン無しの振り子式波力発電の実用化改造条件を整理した。このケーソン無しの振り子式波力発電装置を効率良くする新技術について、特許出願することにした。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  本発明では、ケーソンと水室を共に除去し、振り子式波力発電装置を簡略化する。このため＜ケーソン・水室無し＞でも、共振運転が可能になる、浮体ばねを新規に追加し、発電効率低下を防いだケーソン無しの振り子式波力発電装置を、新たに提案する。通常の金属バネでは、圧倒的にバネ力が足りず、円筒形浮体の浮力を応用した。
【発明の効果】
【００１３】  本発明の基本は、ケーソンに全く関与しない波力発電方式であるから、高価なケーソン製造費用を不要にする経済的効果は大きい。そのために自然エネルギー活用化が活発化している現代社会でも、社会的に重要な新技術となる可能性が高いと考えられる。【００１４】  海洋波は洋上風の刺激で生まれる。最大刺激は嵐だが、波は生まれた場所から遠く旅をし、対岸に到着して消滅する。比較的高いエネルギ−密度を持つが、未だに波力発電は実用化できないでいる。その原因は採算性が壁になっている点である。解決策は低コスト発電装置で、効率よく大量電力生産することに尽きるが、その中で振り子式への関心が高まっている。高価格のケーソンを使用しない波力発電のアイデアは、実現に成功すれば、電力コスト削減に対する効果が少なくないであろう。【００１５】  本発明のポイントになる浮力ばねは、パラメータ値が極めて大きいので、実現できる手段が限られ、その適・不適による装置全体への影響が無視できない。本発明では、水平に浮かべた円筒浮体の“浮力によるばね作用”利用により可能にした。この浮力によるばねを、振り子と一体的に組み合わせ、かつ目的のばね定数値が、シンプルな形状、振り子装置にバランスした寸法の下で実現している。実用機の設計・製造に有利な構造である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】  従来のケーソン付き振り子型波力発電装置の斜視図であり、右側のケーソン側壁を内部が見えやすいように省いた図である。
【図２】  振り子式波力発電装置を鋼板製離岸堤に取り付けた斜視図
【図３】  本発明振り子式波力発電装置の説明図としての斜視図
【図４】  本発明振り子式波力発電装置の構造図
【発明を実施するための形態】
【００１７】  本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。図２に示すのは、ケーソン不使用型の振り子式波力発電装置である。これは鋼板製離岸堤を、電気防食するための電源装置への応用例である。振り子式波力発電装置据付に際し、できる限り離岸堤に負担をかけぬこととの要望があったことから、振り子式波力発電装置はケーソン不使用型になった。図示のように、振り子には囲いがなく、振り子が単独で波浪中に吊り下げられている。この装置で波力発電する場合について、理論検討を行った。問題点を含め、その結果について以下に説明する。図２の振り子式波力発電装置の運動方程式は、式（４）で示される。
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【００１８】  式（４）は、ケーソンを有する式（１）と似た形であるが、式（４）には下記のように、付加水による項目に違いがみられる。
▲１▼左辺加速度項の付加水慣性モーメント：２Ｉ、振り子板の前後面に存在し、ケーソン有りの時の２倍になる。
▲２▼左辺速度項の付加水ダンピング：    ２Ｎ，振り子板の前後面に働くので、ケーソン有りの時の２倍になる。
▲３▼左辺変位項の水室内水のばね作用：消失により０となる。  浮体ばねＫｓｐを新しく追加する。
【００１９】  式（４）のケーソン無しの振り子式波力発電装置の、固有円振動数は式（５）で求められる。
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【００２０】  共振運転のために必要な浮体ばね定数：ＫＳＰは式（６）により示される。
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【００２１】本発明のケーソン無しの波力発電装置は、式（６）が示すばね定数をもつばねを、振り子に組み込むことにより共振運転を可能にしてから、高効率波力発電に対応することになる。問題は、式（６）のばね定数が大変大きいので、これに適合できるばねの選択作業が、簡単でない点である。通常の金属ばね構造などでは、寸法・コスト面で不可能である。図１図示の、ケーソンを有する従来型波力発電装置では、振り子と３壁面で囲んだ水室内の海水により、付加水ばねとして振り子装置にマッチしたばね定数を持つことが知られている。この事実を参考にして、振り子式波力発電装置をそのまま（ケーソン有り）から（ケーソン無し）へ転換したと仮定するとき、その変化は次の表１に纏められる。
【表１】
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【００２２】    図３及び図４には、ケーソンを使用しない本発明の振り子式波力発電装置の構造が示されている。これらの図面により、本発明の最適実施例の詳細を説明する。
【００２３】  ４本の円柱１は、海上に平行に並ぶ一対の台１１と１２とを強固に保持して、海底にしっかりと固定されている。これらの２個の台は、振り子式波力発電装置の据え付け用  である。振り子を固定している発電装置の揺動軸５が、ベーンポンプとなる油圧ポンプ９内部の軸受と、軸受１０とにより支持され、揺動軸５は回転可能状態で、台１１及び台１２に装着支持されている。
【００２４】  揺動軸５は、２本の腕６に装着した振り子板３を水中に吊り下げ、波浪の水圧を正面から振り子板３に受け、その水圧により揺動軸５に振り子運動モーメントを伝える。このモーメントは、油圧ポンプ９により圧力流体パワーに変換され、発電機駆動を経て電力生産をする。この２本ある腕６、６は、円筒状の浮体ばね７を、揺動軸５の軸心と浮体ばね７の軸心とが、互いに平行姿勢になるように、一対の連結側板４，４により２本の腕６、６に固定する。この浮体ばね７は中空円筒である。振り子板３に対し、入射波が作用する面の裏側に取り付ける。
【００２５】  図４は、振り子が垂直姿勢になっているが、これは浮体７の浮力を調整し、浮体内部のバランス水を増減することで、波力が零の場合には図の姿勢にする。この図４位置から振り子が±Δθ角度変位すると変位に比例したトルクΔＴｐｅｎ＝±Δθ×Ｋｓｐが、浮体ばねにより振り子軸に働く。図４の振り子式波力発電装置（ケーソン無し）について、浮体ばねによるばね定数は、式（７）で示される。
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【表２】
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【符号の説明】
【００２６】  １  海底に強固に固定され、波力発電装置全体を支える水平で平行な一対の台を支える４本の円柱
３  振り子板
４  円筒状の浮体ばね７を振り子板の腕６に固定する一対の連結側板
５  振り子を固定した揺動軸
６  揺動軸５に固定され振り子板を保持する一対の腕
７  大型の円筒状の浮体ばね
９  揺動軸５の一端に固定され揺動軸５の軸受の片方を兼ねる油圧ポンプ
１０  揺動軸５のもう一方の軸受
１１  油圧ポンプ９を固定する台
１２  軸受１０を固定する台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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