(57)【要約】  静穏性を保ちつつ、発電効率を向上させることができる波力発電システムが提供される。前記波力発電システムは、防波堤と共に用いられ、波のエネルギーを消散させるとともに、前記波のエネルギーから発電を行う波力発電システムであって、回転体列と、発電機とを備える。前記防波堤は、水中に設置され、不透過壁を有するが、前記不透過壁の沖側に透過性の前壁を有さない防波堤である。前記回転体列は、前記不透過壁の沖側において、平面視において前記不透過壁の延びる方向に沿って配列された複数の回転体からなる。前記発電機は、前記複数の回転体の回転エネルギーを電力に変換する。
2015190297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中に設置され、不透過壁を有するが、前記不透過壁の沖側に透過性の前壁を有さない防波堤と共に用いられ、波のエネルギーを消散させるとともに、前記波のエネルギーから発電を行う波力発電システムであって、
前記不透過壁の沖側において、平面視において前記不透過壁の延びる方向に沿って配列された複数の回転体からなる回転体列と、
前記複数の回転体の回転エネルギーを電力に変換する発電機と
を備える、波力発電システム。
【請求項２】
前記回転体列に含まれる隣り合う回転体は、相反する方向に回転する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】
前記回転体列に含まれる隣り合う回転体の回転軸間が、沖側から前記不透過壁側に流入する波が通過する流入領域、又は前記不透過壁側から沖側へ流出する波が通過する流出領域となり、
前記流入領域及び前記流出領域は、各々少なくとも１つ形成され、
前記流出領域の沖側の近傍に配置され、沖側から前記不透過壁側に流入する波を前記流入領域に導く第１整流部材、及び、前記流入領域の前記不透過壁側の近傍に配置され、前記不透過壁側から沖側へ流出する波を前記流出領域に導く第２整流部材の少なくとも一方
をさらに備える、
請求項１又は２に記載の波力発電システム。
【請求項４】
前記回転体列に含まれる回転体は、前記流入領域に対応する箇所と前記流出領域に対応する箇所とで異なる間隔を空けて配列されている、
請求項３に記載の波力発電システム。
【請求項５】
前記回転体列に含まれる回転体は、不等間隔で配列されている、
請求項１から４のいずれかに記載の波力発電システム。
【請求項６】
前記不透過壁から水平方向に広がり、前記回転体を支持する上壁部
をさらに備える、
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】
前記不透過壁と、前記不透過壁の下部及び上部からそれぞれ沖側に延びる底部及び上壁部とを有するケーソン
をさらに備える、
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８】
前記回転体列が設置され、前記回転体列の設置箇所の水深が沖側の箇所の水深よりも浅くなるようにされた土台、
をさらに備える、
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】
前記土台は、沖側に面する垂直面を有する、
請求項８に記載の波力発電システム。
【請求項１０】
前記回転体は、波の方向によらず一定の方向に回転する水車である、
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】
前記回転体は、サボニウス水車である、
請求項１０に記載の波力発電システム。
【請求項１２】
前記回転体の回転軸は、鉛直方向に延びている、
請求項１から１１のいずれかに記載の波力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波のエネルギーを消散させるとともに、波のエネルギーから発電を行う波力発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇や地球温暖化等の環境問題への対策として、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。【０００３】
しかしながら、船舶の航行安全や漁場確保等の観点から、海洋に構造物を設置することが厳しく制限される場合があり、波力発電システムの設置が困難となる場合がある。かかる問題に鑑み、特許文献１は、港湾海域に比較的多く設置されている防波堤の遊水室内に水車を設置した波力発電システムを開示している。すなわち、特許文献１の波力発電システムは、既存の港湾インフラを利用するため設置が容易となり、更には、発電装置や送電施設の付加に掛かるコストを低減することもできる。【０００４】
ところで、特許文献１では、岸側に不透過壁と、沖側に縦スリットを有する透過性の前壁とを備えた防波堤が利用される。この種の防波堤は、不透過壁で波を反射させることで岸側の静穏性を確保するととともに、前壁の縦スリットの近傍で発生する渦により、波のエネルギーを消散させる。これにより、不透過壁における波の反射率を低下させ、岸側だけでなく、船舶等の通過する沖側の静穏性をも確保することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２４１０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、透過性の前壁によって波のエネルギーを消散させることは、消波の観点からは必要に思われるが、発電の観点からは非効率である。【０００７】
本発明は、静穏性を保ちつつ、発電効率を向上させることができる波力発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１観点に係る波力発電システムは、防波堤と共に用いられ、波のエネルギーを消散させるとともに、前記波のエネルギーから発電を行う波力発電システムであって、回転体列と、発電機とを備える。前記防波堤は、水中に設置され、不透過壁を有するが、前記不透過壁の沖側に透過性の前壁を有さない防波堤である。前記回転体列は、前記不透過壁の沖側において、平面視において前記不透過壁の延びる方向に沿って配列された複数の回転体からなる。前記発電機は、前記複数の回転体の回転エネルギーを電力に変換する。【０００９】
ここでは、防波堤における不透過壁の沖側において、透過性の前壁が設置されることなく、これに代えて、回転体列が設置される。これにより、従来、前壁の透水孔（スリット）の近傍において渦を発生させることにより消散させられていた波のエネルギーは、回転体の回転に効率的に用いられることになる。すなわち、消波の観点からは、回転体の回転エネルギーとして波のエネルギーを消散させつつも、発電の観点からは、過剰な渦の発生によるエネルギーロスを防ぐことができる。従って、静穏性を保ちつつ、従来、意図的に消散させられていた波のエネルギーを発電のエネルギー源として利用することにより、発電効率を向上させることができる。【００１０】
本発明の第２観点に係る波力発電システムは、第１観点に係る波力発電システムであって、前記回転体列に含まれる隣り合う回転体は、相反する方向に回転するように構成されている。【００１１】
ここでは、隣接する回転体の動きが干渉することがなく、水流がスムーズに回転体列を通過することができる。従って、発電効率をさらに向上させることができる。【００１２】
本発明の第３観点に係る波力発電システムは、第１観点又は第２観点に係る波力発電システムであって、第１整流部材及び第２整流部材の少なくとも一方をさらに備える。前記回転体列に含まれる隣り合う回転体の回転軸間が、沖側から前記不透過壁側に流入する波が通過する流入領域、又は前記不透過壁側から沖側へ流出する波が通過する流出領域となる。前記流入領域及び前記流出領域は、各々少なくとも１つ形成される。前記第１整流部材は、前記流出領域の沖側の近傍に配置され、沖側から前記不透過壁側に流入する波を前記流入領域に導く。前記第２整流部材は、前記流入領域の前記不透過壁側の近傍に配置され、前記不透過壁側から沖側へ流出する波を前記流出領域に導く。【００１３】
ここでは、隣り合う回転体の回転軸間が波の流入領域又は流出領域となる。なお、回転体列に含まれる隣り合う回転体が相反する方向に回転する場合には、流入領域及び流出領域は交互に形成される。また、ここでは、第１整流部材により、不透過壁側に流入しようとする波が流入領域に導かれ、及び／又は、第２整流部材により、不透過壁側から流出しようとする波が流出領域に導かれる。すなわち、第１整流部材が流入しようとする波を淀みなく流入領域へ導き、及び／又は第２整流部材が流出しようとする波を淀みなく流出領域へ導くことができる。従って、発電効率をさらに向上させることができる。【００１４】
本発明の第４観点に係る波力発電システムは、第３観点に係る波力発電システムであって、前記回転体列に含まれる回転体は、前記流入領域に対応する箇所と前記流出領域に対応する箇所とで異なる間隔を空けて配列されている。【００１５】
本発明の第５観点に係る波力発電システムは、第１観点から第４観点のいずれかに係る波力発電システムであって、前記回転体列に含まれる回転体は、不等間隔で配列されている。【００１６】
本発明の第６観点に係る波力発電システムは、第１観点から第５観点のいずれかに係る波力発電システムであって、前記不透過壁から水平方向に広がり、前記回転体を支持する上壁部をさらに備える。【００１７】
ここでは、不透過壁と回転体等とをユニット化することができるため、現地での設置作業を容易にすることができる。【００１８】
本発明の第７観点に係る波力発電システムは、第１観点から第５観点のいずれかに係る波力発電システムであって、ケーソンをさらに備える。前記ケーソンは、前記不透過壁と、前記不透過壁の下部及び上部からそれぞれ沖側に延びる底部及び上壁部とを有する。【００１９】
本発明の第８観点に係る波力発電システムは、第１観点から第７観点のいずれかに係る波力発電システムであって、前記回転体列が設置され、前記回転体列の設置箇所の水深が沖側の箇所の水深よりも浅くなるようにされた土台をさらに備える。【００２０】
ここでは、回転体の設置箇所が土台により嵩上げされ、当該設置箇所よりもさらに沖側の箇所と比べて水位の低い（浅い）位置に回転体が設置される。従って、この場合、回転体間を通過する波の進行速度が速くなり、波のエネルギーの散逸が大きくなる。よって、波の反射率を低下させることができる。【００２１】
本発明の第９観点に係る波力発電システムは、第８観点に係る波力発電システムであって、前記土台は、沖側に面する垂直面を有する。【００２２】
ここでは、水車の沖側の近傍で急激に水深が変化する段差が形成され、流入してくる波の流速が速くなる。従って、波の反射率がさらに低下し、発電効率がさらに向上する。【００２３】
本発明の第１０観点に係る波力発電システムは、第１観点から第９観点のいずれかに係る波力発電システムであって、前記回転体は、波の方向によらず一定の方向に回転する水車である。【００２４】
ここでは、不透過壁に対する寄せ波時においても、引き波時においても、回転体が同じ方向に回転する。従って、発電効率をさらに向上させることができる。【００２５】
本発明の第１１観点に係る波力発電システムは、第１０観点に係る波力発電システムであって、前記回転体は、サボニウス水車である。【００２６】
ここでは、回転体として、サボニウス水車が利用される。従って、低回転でも大きなトルクが発生し、低流速でも稼働し易い発電システムを構築することができる。【００２７】
本発明の第１２観点に係る波力発電システムは、第１観点から第１１観点のいずれかに係る波力発電システムであって、前記回転体の回転軸は、鉛直方向に延びている。なお、本明細書において「鉛直方向」というときには、特に断らない限り、鉛直方向に完全に平行な場合と、鉛直方向に概ね平行な場合とが含まれるものとする。【００２８】
ここでは、発電機を水上等の適切な位置に容易に設置することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、消波の観点からは、回転体の回転エネルギーとして波のエネルギーを消散させつつも、発電の観点からは、エネルギーロスを防ぐことができる。従って、静穏性を保ちつつ、従来、意図的に消散させられていた波のエネルギーを発電のエネルギー源として利用することにより、発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る波力発電システムの縦断面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る波力発電システムの縦断面図。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ断面図。
【図５】本発明の第３実施形態に係る波力発電システムの横断面図。
【図６】本発明の第４実施形態に係る波力発電システムの横断面図。
【図７】変形例に係る波力発電システムの横断面図。
【図８】別の変形例に係る波力発電システムの縦断面図。
【図９】さらに別の変形例に係る波力発電システムの縦断面図。
【図１０】実施例１に係る波力発電システムを含む実験設備の側面図。
【図１１Ａ】実施例１に係る波力発電システムの平面図（Ｄs＝０．０８４ｍの場合）。
【図１１Ｂ】実施例１に係る波力発電システムの平面図（Ｄs＝０．１４０ｍの場合）。
【図１１Ｃ】実施例１に係る波力発電システムの平面図（Ｄs＝０．２１０ｍの場合）。
【図１２】実施例１における実験設備に含まれる動力計測システムの側面図。
【図１３Ａ】実施例１（点）及び比較例（曲線）における反射率の比較結果を示すグラフ（Ｄs／ｈ＝０．２１５の場合）。
【図１３Ｂ】実施例１（点）及び比較例（曲線）における反射率の比較結果を示すグラフ（Ｄs／ｈ＝０．３５０の場合）。
【図１３Ｃ】実施例１（点）及び比較例（曲線）における反射率の比較結果を示すグラフ（Ｄs／ｈ＝０．５２５の場合）。
【図１４Ａ】実施例１における反射率と負荷トルクとの関係を示すグラフ（Ｄs／ｈ＝０．２１５の場合）。
【図１４Ｂ】実施例１における反射率と負荷トルクとの関係を示すグラフ（Ｄs／ｈ＝０．３５０の場合）。
【図１４Ｃ】実施例１における反射率と負荷トルクとの関係を示すグラフ（Ｄs／ｈ＝０．５２５の場合）。
【図１５Ａ】実施例１における動力獲得効率を示すグラフ（Ｄs／ｈ＝０．２１５の場合）。
【図１５Ｂ】実施例１における動力獲得効率を示すグラフ（Ｄs／ｈ＝０．３５０の場合）。
【図１５Ｃ】実施例１における動力獲得効率を示すグラフ（Ｄs／ｈ＝０．５２５の場合）。
【図１６Ａ】実施例１における水車の回転速度を示すグラフ（Ｄs／ｈ＝０．２１５の場合）。
【図１６Ｂ】実施例１における水車の回転速度を示すグラフ（Ｄs／ｈ＝０．３５０の場合）。
【図１６Ｃ】実施例１における水車の回転速度を示すグラフ（Ｄs／ｈ＝０．５２５の場合）。
【図１７】実施例２に係る波力発電システムを含む実験設備の平面図（上図）及び側面図（下図）。
【図１８Ａ】実施例２に係る波力発電システムの正面図。
【図１８Ｂ】実施例２に係る波力発電システムの平面図。
【図１９Ａ】実施例２及び比較例における反射率の比較結果を示すグラフ（ｌ’=０．２４ｍの場合）
【図１９Ｂ】実施例２及び比較例における反射率の比較結果を示すグラフ（ｌ’=０．３４ｍの場合）。
【図１９Ｃ】実施例２及び比較例における反射率の比較結果を示すグラフ（ｌ’=０．４４ｍの場合）。
【図２０Ａ】実施例２におけるエネルギー変換効率と負荷トルクとの関係を示すグラフ（case２）。
【図２０Ｂ】実施例２におけるエネルギー変換効率と負荷トルクとの関係を示すグラフ（case３）。
【図２１】実施例２における反射率及び水車間を通過する最大流速を示すグラフ。
【図２２Ａ】実施例２における一次変換効率を示すグラフ（ｌ／ｌ’=０．９１の場合）。
【図２２Ｂ】実施例２における一次変換効率を示すグラフ（ｌ／ｌ’=０．４５の場合）。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面を参照しつつ、本発明のいくつかの実施形態に係る波力発電システムについて説明する。
【００３２】
＜１．第１実施形態＞
＜１−１．波力発電システムの構成＞
図１及び図２に、第１実施形態に係る波力発電システム１を示す。図１は、波力発電システム１の縦断面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。波力発電システム１は、海中に設置され、防波堤としての機能と、発電システムとしての機能を有する構造物である。図１及び図２に示すとおり、波力発電システム１は、不透過壁１０と、不透過壁１０の沖側に設置される水車列２（回転体列）とを備える。不透過壁１０は、波の進行方向と交差するように延び、岸側と沖側とを分離するように設置される。水車列２は、複数の水車２０（回転体）を、平面視において不透過壁１０の延びる方向に沿って配列することにより構成される。図２に示すように、水車列２を構成する複数の水車２０の回転軸２１を結んだ線と、不透過壁１０とは、平面視において概ね平行である。
【００３３】
図１に示すとおり、不透過壁１０は、海底に形成された土台１１上に設置され、土台１１上から鉛直方向に起立している矩形状の平板である。不透過壁１０の上部からは、沖側へと矩形状の屋根部１２（上壁部）が不透過壁１０に直交するように突出しており、不透過壁１０の下部からは、沖側へと矩形状の底部１３が不透過壁１０に直交するように突出している。すなわち、屋根部１２及び底部１３は、水平方向に広がっている。底部１３は、土台１１上に設置され、底部１３と一体に形成されている不透過壁１０及び屋根部１２を強固に支持している。本実施形態に係る水車２０は、鉛直方向に延びる回転軸２１を有しており、回転軸２１の下部が、底部１３に回転可能に固定されている。屋根部１２の下部には、発電機３が設置されており、回転軸２１の上部は、発電機３に回転可能に受け取られている。不透過壁１０と屋根部１２と底部１３とはケーソンを構成し、例えば、コンクリート製である。土台１１も、コンクリート製とすることができる。
【００３４】
土台１１は、ケーソンや水車列２を安定的に支持する役割も果たすが、波の反射率を低下させることもできる。また、発電効率を上げることも可能である。すなわち、水車２０の設置位置が土台１１（及び底部１３）により嵩上げされることで、水位の低い（浅い）位置に水車２０が設置されることになり、この場合、水車２０間を通過する波の進行速度が速くなり、波のエネルギーの散逸が大きくなるからである。本実施形態の土台１１は、不透過壁１０と水車列２との間を広がり、水車列２の沖側の近傍から沖側に向かって下方へ傾斜している。
【００３５】
不透過壁１０は、防波堤を構成し、沖側からの波を反射させ、沖側へと返す役割を果たす構造物である。不透過壁１０は、沖側に垂直面を有している。海面の水位は、潮の満ち引きや気象条件に応じて変動するが、本実施形態に係る不透過壁１０は、一般的な気象条件下では、任意の時刻において海面を超える程度の高さである。また、不透過壁１０と水車列２とは、遊水室を構成するかの如く、一定の間隔を空けて配置されている。
【００３６】
沖側から水車列２に達した波は、水車列２を通過して不透過壁１０に衝突して反射する。そして、反射波は、水車列２を再度通過して、沖側へと戻ってゆく。この間、水車列２を通過する波の作用により、水車２０が各々回転し、波のエネルギーが水車２０の回転エネルギーへと変換される。すなわち、水車列２は、不透過壁１０とともに、波のエネルギーを消散させる消波工の役割を果たす。また、不透過壁１０の沖側には、上記のとおり水車列２が設置されているが、従来の透水孔を有する透過性の前壁（特許文献１参照）は設置されていない。この意味で、水車列２は、従来の防波堤に用いられている透過性の前壁の代替となるものと言える。
【００３７】
本実施形態に係る水車２０は、波の方向によらず一定の方向に回転する水車である。従って、不透過壁１０に対する寄せ波時においても引き波時においても、各水車２０は同じ方向に回転し、発電に寄与する。また、図１に示すように、本実施形態に係る各水車２０は、共通の回転軸２１を有する上下方向に積層された複数段（本実施形態では、三段）のサボニウス水車２０Ａ〜２０Ｃを有する。従って、水車２０は、サボニウス水車の一般的な性質として、低回転で大きなトルクを発生し、低流速で稼働し易い性質を有する。なお、他の実施形態では、各水車２０を一段構成とすることも可能である。本実施形態に係る水車２０は、一般的な気象条件下では、上下方向に並ぶサボニウス水車２０Ａ〜２０Ｃの少なくとも一部が、任意の時刻において海面下に存在するように配置されている。従って、波力発電システム１は、波の干満の影響を受けることなく、常時、全ての水車２０を回転させることができる。
【００３８】
図２に示すように、本実施形態に係るサボニウス水車２０Ａ〜２０Ｃは、各々、横断面視において半円状の水車翼２２を２枚ずつ有する。これらの２枚の水車翼２２は、一方を回転軸２１の周りで１８０°回転させたときに他方に重なるような位置関係で配置されている。また、上下方向に隣接するサボニウス水車の水車翼２２は、回転軸２１の周りで所定の角度だけずれた位置に配置されており、これにより、水車２０全体の回転が滑らかにされている。なお、本実施形態では、このずれの角度は、３６０°をサボニウス水車の段数である３で除した１２０°に設定されており、回転の滑らかさが最適化されている。
【００３９】
また、図２に示すように、本実施形態に係る水車列２に含まれる隣り合う２つの水車２０は、相反する方向に回転するように構成されている。すなわち、水車列２では、時計回りの水車２０と、反時計回りの水車２０とが交互に配列されている。その結果、隣接する水車２０間で、水車２０の動き、あるいはこれ伴う水流の向きが干渉することがなく、波がスムーズに水車列２を通過することができる。なお、水車列２に含まれる複数の水車２０は、隣り合う２つの水車の回転方向が異なる点を除き、同様の構造を有している。
【００４０】
なお、水車列２に含まれる隣り合う２つの水車が相反する方向に回転する構成（以下、互い違い回転構成）は、本実施形態に係る波力発電システム１のみならず、様々な波力発電システムにおいて採用することができる。例えば、特許文献１に記載されるような、不透過壁の沖側に透過性の前壁を有する防波堤の遊水室内に配置される水車列に対しても、互い違い回転構成を適用することができる。
【００４１】
以上のとおり、波の作用により水車２０が回転すると、発電機３は、その回転力を回転軸２１を介して受け取り、発電を行う。なお、水車の回転エネルギーを電力に変換する発電機の構成については、周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。発電機３は、回転軸２１の回転エネルギーを電力に変換することができる限り、構成は問わない。発電機３の配置に関しても同様であり、回転軸２１の上方に限らず、任意の位置に設置することができる。
【００４２】
そして、発電機３で発電された電力は、図示されない送電設備を介して、陸側の変電所等に送電される。波力発電システム１は、防波堤の機能を果たすべく、通常近海に設置されているため、送電による電力損失が抑制されるようになっている。
【００４３】
以上より、波力発電システム１では、波のエネルギーは、水車２０の回転エネルギーに効率的に変換され、当該回転エネルギーが発電機３により電力に変換される。これにより、波のエネルギーが消散し、消波が行われるとともに、波のエネルギーから効率的に発電することができる。
【００４４】
＜１−２．特徴＞
【００４５】
波力発電システム１では、防波堤における不透過壁１０の沖側において、透過性の前壁が省略されており、これに代えて、水車列２が設置されている。これにより、波のエネルギーは、透過性の前壁を備える従来の波力発電システムのように、前壁の透水孔の近傍において発生する渦により消散させられることなく、水車列２の回転に効率的に用いられる。すなわち、消波の観点からは、水車列２の回転エネルギーとして波のエネルギーを消散させつつも、発電の観点からは、渦の発生によるエネルギーロスが防止されている。従って、波力発電システム１では、静穏性が保たれるとともに、発電効率が高められている。
【００４６】
波力発電システム１は、例えば、漁港や商業港、避難港等の港湾施設として実現することが可能である。また、波力発電システム１は、既存の防波堤が劣化等によって置換する必要が生じた場合等であれば、比較的円滑に導入を図ることができる。
【００４７】
＜２．第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る波力発電システム１０１について説明する。図３は、波力発電システム１０１の縦断面図であり、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。波力発電システム１０１は、海中に設置され、防波堤としての機能と、発電システムとしての機能を有する構造物であり、第１実施形態に係る波力発電システム１と多くの点で共通する。以下では、第１実施形態との相違点を中心に説明することとし、第１実施形態と同様の構成には同様の参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４８】
波力発電システム１０１は、第１実施形態と同様に、不透過壁１０、屋根部１２（上壁部）、底部１３、土台１１、水車列２及び発電機３を備える他、第１整流部材１５０及び第２整流部材１６０を備える。本実施形態に係る波力発電システム１０１と、第１実施形態に係る波力発電システム１との主な相違点は、第１整流部材５０及び第２整流部材６０が存在するか否かにある。
【００４９】
また、第２実施形態に係る水車列２は、第１実施形態と同様、複数の水車１２０（回転体）を不透過壁１０から一定の間隔を空けつつ、平面視において不透過壁１０の延びる方向に沿って配列することにより構成される。しかしながら、各水車１２０は、第１実施形態と異なり、サボニウス水車が上下方向に積層された複数段構成とはなっておらず、一段構成である。しかしながら、第２実施形態のサボニウス水車１２０を多段構成とすることもできる。
【００５０】
水車１２０は、上下方向に上から順に、軸上部１３１、翼部１３２及び軸下部１３３を有している。翼部１３２は、上フランジ１３４、下フランジ１３５及び一対の水車翼１３６を含んでいる。
【００５１】
各水車翼１３６は、半円筒形状であり、水車１２０は、２枚の水車翼１３６が水車１２０の回転軸１２１に対して１８０°回転対称に配置されたサボニウス型である。このため、第１実施形態と同様、水車１２０も、一方向にのみ回転することができる。各水車翼１３６は、上端部に上フランジ１３４が連結され、下端部に下フランジ１３５が連結されており、両フランジ１３４，１３５の外周に達しているが、外周から外側へは突出していない。また、水車翼１３６の上部は、一般的な気象条件下では、常に水面１１４よりも上方に露出している。軸上部１３１及び軸下部１３３は、不透過壁１０に対して平行であり、不透過壁１０から一定の距離を空けて配置されている。
【００５２】
上フランジ１３４の上面の中心には、軸上部１３１の下端部が連結されており、軸上部１３１と上フランジ１３４とは同軸である。軸上部１３１は、鉛直方向に延びており、その上端部が屋根部１２に設けられた貫通孔１１５に挿入され、回転自在に軸支されている。同様に、下フランジ１３５の下面の中心には、軸下部１３３の上端部が連結されており軸下部１３３と下フランジ１３５とは同軸である。軸下部１３３は、鉛直方向に延びており、その下端部が底部１３の上面に設けられた軸受孔１１６に挿入され、回転自在に軸支されている。
【００５３】
また、図４に示すように、本実施形態に係る隣り合う２つの水車１２０も、相反する方向に回転するように構成されている。すなわち、平面視において反時計回りに回転する水車１２０（以下、第１水車１２０Ａということがある）と、平面視において時計回りに回転する水車（以下、第２水車１２０Ｂということがある）とが、水車１２０の配列方向に沿って交互に配列されている。横断面視において、隣り合う第１水車１２０Ａと第２水車１２０Ｂとは、両水車１２０Ａ，１２０Ｂの回転軸１２１から等距離にある直線に対し、線対称な形状を有している。水車列２の間を波が通過するとき、第１水車１２０Ａの２枚の水車翼１３６は、いずれも当該第１水車１２０Ａが平面視において反時計回りに回転するように波に押される。同様に、第２水車１２０Ｂの２枚の水車翼１３６も、いずれも当該第２水車１２０Ｂが平面視において時計回りに回転するように波に押される。
【００５４】
以上のとおり、隣り合う水車１２０Ａ，１２０Ｂは、回転方向が逆向きである。このため、隣り合う第１水車１２０Ａの回転軸１２１と、第２水車１２０Ｂの回転軸１２１との間は、沖側から不透過壁１０側に流入しようとする波Ｆ１が通過する流入領域１１８、又は不透過壁側から沖側へ流出しようとする波Ｆ２が通過する流出領域１１９となる。流入領域１１８と流出領域１１９とは、水車１２０の配列方向に沿って交互に形成される。
【００５５】
本実施形態では、第１整流部材１５０は複数存在して列を形成しており、第２整流部材１６０も複数存在して列を形成している。第１整流部材１５０及び第２整流部材１６０は、各々、鉛直方向に延びており、それぞれの上端部が屋根部１２の下面に固定され、それぞれの下端部が底部１３の上面に固定されている。第１整流部材１５０及び第２整流部材１６０は、直方体形状であり、図４に示すように、横断面（水平方向の断面）形状は正方形である。第１整流部材１５０及び第２整流部材１６０の正方形である横断面の対角線の寸法は、水車１２０の上フランジ１３４及び下フランジ１３５の直径とほぼ同じである。
【００５６】
第１整流部材１５０は、流出領域１１９の沖側の近傍に配置され、その横断面の４つの頂点のうちの１つ（以下、第１頂点１５１という）を流出領域１１９側に向けている。より詳しくは、第１整流部材１５０は、横断面視において第１整流部材１５０の第１頂点１５１とその対角の第２頂点１５２とを通る仮想線１４２が、隣り合う第１水車１２０Ａ及び第２水車１２０Ｂの回転軸１２１にそれぞれ対応する点を通る仮想線分１４１の中点又はその近傍を通るように配置されている。仮想線１４２及び仮想線分１４１は、直交する。第１頂点１５１は、仮想線分１４１より沖側にあるが、第１整流部材１５０は、隣り合う第１水車１２０Ａと第２水車１２０Ｂとの間に形成された隙間に入り込んでいる。
【００５７】
第２整流部材１６０は、流入領域１１８の不透過壁１０側の近傍に配置され、その横断面の４つの頂点のうちの１つ（以下、第１頂点１６１という）を流入領域１１８側に向けている。より詳しくは、第２整流部材１６０は、横断面視において第２整流部材１６０の第１頂点１６１とその対角の第２頂点１６２とを通る仮想線１４４が、隣り合う第１水車１２０Ａ及び第２水車１２０Ｂの回転軸１２１にそれぞれ対応する点を通る仮想線分１４３の中点又はその近傍を通るように配置されている。仮想線１４４及び仮想線分１４３は、直交する。第１頂点１６１は仮想線分１４３より不透過壁１０側にあるが、第２整流部材１６０は、隣り合う水車１２０間に形成された隙間に入り込んでいる。
【００５８】
次に、この波力発電システム１０１が波を消波しつつ、発電する仕組みについて説明する。図４に示すように、不透過壁１０側に流入しようとする波Ｆ１は、流出領域１１９の下流側に配置された第１整流部材１５０の沖側に位置する第２頂点１５２に対応する角部にぶつかり左右（図４における上下方向、以下同じ）に分けられ流入領域１１８に導かれる。その後、波Ｆ１は、第１水車１２０Ａ及び第２水車１２０Ｂの水車翼１３６の内周面を押して、両水車１２０Ａ，１２０Ｂを回転させる。このとき、平面視において第１水車１２０Ａは反時計回りに回転し、第２水車１２０Ｂは時計回りに回転する。波Ｆ１は、第１水車１２０Ａ及び第２水車１２０Ｂを回転させた後、流入領域１１８の下流側に配置された第２整流部材１６０の沖側に位置する第１頂点１６１に対応する角部にぶつかり、淀みなく流出領域１１９へ流入する。
【００５９】
また、不透過壁１０側から流出しようとする波Ｆ２は、流入領域１１８の下流側に配置された第２整流部材１６０の不透過壁１０側に位置する第２頂点１６２に対応する角部にぶつかり左右に分けられ、流出領域１１９に導かれる。その後、波Ｆ２は、第１水車１２０Ａ及び第２水車１２０Ｂの水車翼１３６の内周面を押して、両水車１２０Ａ，１２０Ｂを回転させる。このとき、平面視において第１水車１２０Ａは反時計回りに回転し、第２水車１２０Ｂは時計回りに回転する。波Ｆ２は、第１水車１２０Ａ及び第２水車１２０Ｂを回転させた後、流出領域１１９の下流側に配置された第１整流部材１５０の不透過壁１０側に位置する第１頂点１５１に対応する角部にぶつかり、淀みなく沖側へ流出する。
【００６０】
このように、流入出しようとする波Ｆ１，Ｆ２の全体は、第１整流部材１５０及び第２整流部材１６０によって流入領域１１８及び流出領域１１９に導かれ、第１水車１２０Ａ及び第２水車１２０Ｂを一方向に回転させることができる。つまり、この防波堤は、波のエネルギーの多くを水車１２０の回転エネルギーに変換し、消波することができる。また、波Ｆ１，Ｆ２は、第１整流部材１５０及び第２整流部材１６０により、水車１２０の水車翼１３６の内周面に水流を導くが、水車翼１３６の外周面には水流を導かないため、水車１２０の回転の抵抗とはならない。
【００６１】
以上のようにして水車１２０が回転すると、発電機３は、その回転力を軸上部１３１を介して受け取り、発電を行う。なお、図３に示すとおり、本実施形態では、発電機３は屋根部１２上に配置されているが、第１実施形態と同様に屋根部１２の下方に配置されていてもよい。本実施形態でも、第１実施形態と同じく、発電機３の配置及び構成は適宜選択することができる。発電機３で発電された電力は、図示されない送電設備を介して、陸側の変電所等に送電される。なお、図３に示すように、不透過壁１０を海岸１２５に接する又は概ね接するように設置することもできる。
【００６２】
＜３．第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係る波力発電システム２０１について説明する。図５は、波力発電システム２０１の横断面図である。波力発電システム２０１は、第１及び第２実施形態に係る波力発電システム１，１０１と多くの点で共通する。以下では、第１及び第２実施形態との相違点を中心に説明することとし、第１及び第２実施形態と同様の構成には同様の参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６３】
波力発電システム２０１は、第１及び第２実施形態と同様に、不透過壁１０、屋根部１２（上壁部）、底部１３、土台１１、水車列２及び発電機３を備える他、第１整流部材２５０及び第２整流部材２６０を備える。本実施形態に係る波力発電システム２０１と、第２実施形態に係る波力発電システム１０１との主な相違点は、水車列２に含まれる水車１２０間の距離にある。
【００６４】
より具体的には、本実施形態では、隣り合う第１水車１２０Ａと第２水車１２０Ｂとの間を実質的に隙間なく配置している。こうすることで、第１水車１２０Ａと第２水車１２０Ｂとの間の隙間を、水車１２０Ａ，１２０Ｂの回転に殆ど寄与することなくすり抜ける波の量を減らすことができる。すなわち、発電効率を向上させることができる。
【００６５】
本実施形態では、第１整流部材２５０は、複数存在して列を形成しており、第２整流部材２６０も、複数存在して列を形成している。第１及び第２整流部材２５０，２６０は、第２実施形態に係る第１及び第２整流部材１５０，１６０と比較して横断面形状のみが異なり、その余の点においては同様の構成を有する。
【００６６】
図５に示すように、第１整流部材２５０の横断面形状は、一対の隣接する曲線２５３及び一対の隣接する線分２５４で囲まれた４つの頂点を有する形状である。第１整流部材２５０は、流出領域１１９の沖側の近傍に配置され、その横断面の４つの頂点のうちの１つであって一対の曲線２５３の交点（以下、第１頂点２５１という）を流出領域１１９側に向けている。第２頂点２５２は、一対の線分２５４の交点である。より詳しくは、第１整流部材２５０は、横断面視において第１整流部材２５０の第１頂点２５１とその対角の第２頂点２５２とを通る仮想線２４２が、隣り合う第１水車１２０Ａ及び第２水車１２０Ｂの回転軸１２１にそれぞれ対応する点を通る仮想線分２４１の中点又はその近傍を通るように配置されている。また、仮想線２４２及び仮想線分２４１は、直交する。第１頂点２５１は、仮想線分２４１より沖側にあるが、第１整流部材２５０は、隣り合う水車１２０間に形成された隙間に入り込んでいる。第１整流部材２５０の横断面の４つの頂点のうち、第１頂点２５１及び第２頂点２５２ではない残りの頂点間の寸法は、水車１２０の上フランジ１３４及び下フランジ１３５の直径とほぼ同じである。第１整流部材２５０の横断面において、第１頂点２５１に対応する角部から左右方向（図５における上下方向、以下同じ。）に延びる曲線２５３は、水車１２０の上フランジ１３４及び下フランジ１３５と同心で、僅かに径の大きい円弧状である。
【００６７】
第２整流部材２６０の横断面形状は、一対の隣接する曲線２６３及び一対の隣接する線分２６４で囲まれた４つの頂点を有する形状である。第２整流部材２６０は、流入領域１１８の不透過壁１０側の近傍に配置され、その横断面の４つの頂点のうちの１つであって一対の曲線２６３の交点（以下、第１頂点２６１という）を流入領域１１８側に向けている。第２頂点２６２は、一対の線分２６４の交点である。より詳しくは、第２整流部材２６０は、横断面視において第２整流部材２６０の第１頂点２６１とその対角の第２頂点２６２とを通る仮想線２４４が、隣り合う第１水車１２０Ａ及び第２水車１２０Ｂの回転軸１２１にそれぞれ対応する点を通る仮想線分２４３の中点又はその近傍を通るように配置されている。また、仮想線２４４及び仮想線分２４３は、直交する。第１頂点２６１は、仮想線分２４３より不透過壁１０側にあるが、第２整流部材２６０は、隣り合う水車１２０間に形成された隙間に入り込んでいる。第２整流部材２６０の横断面の４つの頂点のうち、第１頂点２６１及び第２頂点２６２ではない残りの頂点間の寸法は、水車１２０の上フランジ１３４及び下フランジ１３５の直径とほぼ同じである。第２整流部材２６０の横断面において、第１頂点２６１に対応する角部から左右方向（図５における上下方向、以下同じ。）に延びる曲線２６３は、水車１２０の上フランジ１３４及び下フランジ１３５と同心で、僅かに径の大きい円弧状である。
【００６８】
以上の構成により、第３実施形態に係る波力発電システム２０１では、既に述べた波力発電システム１，１０１よりも発電効率を向上させることができる。
【００６９】
＜４．第４実施形態＞
次に、第４実施形態に係る波力発電システム３０１について説明する。図６は、波力発電システム３０１の横断面図である。波力発電システム３０１は、第１〜第３実施形態に係る波力発電システム１，１０１，２０１と多くの点で共通する。以下では、第１〜第３実施形態との相違点を中心に説明することとし、第１〜第３実施形態と同様の構成には同様の参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７０】
波力発電システム３０１は、第１〜第３実施形態と同様に、不透過壁１０、屋根部１２（上壁部）、底部１３、土台１１、水車列２及び発電機３を備える他、第１整流部材３５０及び第２整流部材３６０を備える。本実施形態に係る波力発電システム３０１と、第２及び第３実施形態に係る波力発電システム１０１，２０２との主な相違点は、水車列２に含まれる水車１２０間の距離にある。
【００７１】
より具体的には、波力発電システム３０１では、水車列２に含まれる水車１２０が、不等間隔で配列されている。特に、本実施形態では、水車列２に含まれる水車１２０は、流入領域１１８に対応する箇所と流出領域１１９に対応する箇所とで、異なる間隔を空けて配列されている。流出領域１１９に対応する位置での隣り合う水車１２０間の間隔が、流入領域１１８に対応する位置での隣り合う水車１２０間の間隔よりも広いが、図７に示すように逆にすることも可能である。
【００７２】
本実施形態では、防波堤が不透過壁１０の沖側に透過性の前壁を有さないため、水車１２０の設置位置の自由度が高い。従って、発電効率を向上させるような防波堤への波の流入量及び流出量を設置場所ごとに判断し、それに併せて、水車列２に含まれる隣り合う水車１２０間の各間隔を別々に設定することができる。特に、流入領域１１８に対応する位置での間隔と、流出領域１１９に対応する位置での間隔とを別々に設定できることは有意義である。
【００７３】
＜５．変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、以下の変更が可能である。また、以下の変形例の要旨は、適宜組み合わせることができる。
【００７４】
＜５−１＞
上記実施形態では、回転体としてサボニウス水車が用いられたが、これに限られず、他の種類の水車を用いることもできる。ただし、発電効率の観点からは、寄せ波時においても引き波時においても容易に発電が可能なように、波の方向によらず一定の方向に回転する水車を用いることが好ましい。このような水車の例としては、サボニウス水車の他には、クロスフロー水車が挙げられる。また、上記実施形態の水車において、３枚、４枚等の異なる枚数の水車翼を有するように変形した水車を用いることもできる。
【００７５】
＜５−２＞
上記実施形態では、水車列２が互い違い回転構成とされたが、これに限定されず、例えば、全ての水車２０が同じ方向に回転するように構成してもよい。
【００７６】
＜５−３＞
上記実施形態では、水車の回転軸の上下が軸支されたが、上だけ又は下だけ軸支してもよい。
【００７７】
＜５−４＞
上記実施形態では、水車の回転軸は、直接発電機に連結されたが、例えば、油圧ポンプ等の他の機器を介して間接的に発電機に連結するようにしてもよい。
【００７８】
＜５−５＞
第２から第４実施形態では、回転軸が中央の翼部の上と下に分かれて配置されたが、翼部１３２を貫通していてもよい。
【００７９】
＜５−６＞
第２から第４実施形態では、翼部１３２の上部は水面より上方に露出していたが、常に水没させるようにしてもよい。
【００８０】
＜５−７＞
上記実施形態では、波力発電システムが海に設置されたが、川や湖等に設置することもできる。
【００８１】
＜５−８＞
第２から第４実施形態において、第１整流部材及び第２整流部材の一方を省略してもよい。
【００８２】
＜５−９＞
上記実施形態では、土台１１の沖側は、鉛直方向に対し斜面を形成するように構成されていた。しかしながら、図８に示すように、土台１１に代えて、沖側に鉛直面１１１Ａを有する土台１１Ａを設けてもよい。また、図９に示すように、土台１１上に設けられた底部１３上にさらに土台１１Ｂを形成してもよい。図９の土台１１Ｂは、概ね水車２０の下方にのみ形成されており、縦断面視において不透過壁１０にまで達していない直方体状の土台であるが、この土台１１Ｂを不透過壁１０まで達している土台とすることもできる。なお、本変形例のように、土台を縦断面視において図１のように台形型ではなく、長方形型とした場合には、水車２０の直下でありかつ沖側の近傍で急激に水深が変化する段差が形成され、流入してくる波の波長が変化し流速が速くなる。従って、この場合には、波の反射率を低下させる効果及び発電効率を向上させる効果の向上が期待される。
【実施例１】
【００８３】
以下、本発明の実施例１について説明する。但し、本発明は、以下の実施例１に限定されない。【００８４】
＜１．実験条件＞
ここでは、実施例１として、造波水槽を用い、図１０に示すような波力発電システムを作成した。具体的に説明すると、造波水槽のサイズは、長さ２０．００ｍ、幅０．５０ｍ、高さ０．５０ｍとし、水深ｈ＝０．４０ｍで一定とした。造波水槽の長さ方向の一端側（沖側）に造波板を設置し、造波板から他端側（岸側）に１３．６８ｍ離れた位置に水車の回転軸が位置するように、水車列を設置した。水車列に含まれる各水車は、第１実施形態で説明したのと同様の三段構成のサボニウス水車とした。なお、水車列は３種類用意し、各水車列のサボニウス水車の径Ｄs[ｍ]を、Ｄs＝０．０８４，０．１４０，０．２１０とした。水車列に含まれる水車数は、造波水槽との幅との関係で、Ｄs＝０．０８４の場合、５つ（図１１Ａ参照）、Ｄs＝０．１４０の場合、３つ（図１１Ｂ参照）、Ｄs＝０．２１０の場合２つ（図１１Ｃ参照）とした。いずれの水車列についても、互い違い回転構成とした。水車間距離Ｄ＝Ｄs＋２ａ（２ａは、隣接する水車の翼端間距離）は、２ａ／Ｄ＝０．１１（一定）となるように設定し、水車高さＨwは、Ｈw／ｈが概ね０．８で一定となるように設定した。また、水車列からさらにｌ[ｍ]＝０．３８岸側に、不透過壁を設置した。【００８５】
また、実施例１に係る波力発電システムでは、発電機の代わりに、図１２に示す動力計測システムを設置した。水車の回転軸（水車軸）は、ボールベアリング軸受けを用いて、摩擦が極力少なくなるようにその下端を支持した。水車軸の上端は、磁気ブレーキと連結し、当該磁気ブレーキにより水車軸に負荷トルクＴq[Ｎ・ｍ]を与えた。磁気ブレーキとしては、日本創販株式会社製のＰｅｒｍａ−Ｔｏｒｋ  ＨＣ０１−１を使用した。また、水車軸に加速度計を固定し、サンプリング周波数１００Ｈｚで造波開始後３０秒〜８０秒の間、水車の回転速度（角速度）ＲE［ｒｐｓ］を測定した。また、水車軸から約３．５ｍ沖側に２本の容量式波高計を設置し、水位変動を測定した。また、水車軸から０．１８ｍ沖側に１本の容量式波高計を設置し、水車列近傍の水位変動を測定した。波高計のサンプリング周波数はいずれも１００Ｈｚとした。作用波は、周期Ｔ[ｓ]＝０．８１〜１．６７で、波形勾配Ｈ／Ｌ＝０．０１の規則波とした。なお、Ｈは、波高であり、Ｌは、波長である。【００８６】
＜２．実験結果及び評価＞
＜２−１．反射率＞
Ｔq＝１．１×１０-3Ｎ・ｍの場合の反射率Ｋrは、図１３Ａ〜図１３Ｃに「点」で示される結果となった。図１３Ａ〜図１３Ｃは、それぞれＤs／ｈ＝０．２１５、０．３５０、０．５２５の場合のデータを示している。なお、反射率Ｋrは、水車列から約３．５ｍ沖側の２本の容量式波高計による測定結果に基づいて、入・反射波分離推定法（合田ら，１９７６年，不規則波における入・反射波の分離推定法，港湾技術研究所資料，Ｎｏ．２４８）を用いて算出した。また、水車列の代わりに、円柱列を用いた場合（他の条件は、上述の実施例１と同じ）の縦スリット直立消波工のモデル（比較例）を想定し、当該比較例での反射率Ｋrを既往研究による理論解として算出したところ、図１３Ａ〜図１３Ｃに「曲線」で示される結果となった。なお、当該比較列における円柱列は、上述の水車列と同じ径の円柱を同じ間隔で配列したものである。【００８７】
図１３Ａ〜図１３Ｃからは、実施例１においては比較例よりも、反射率Ｋrが低くなる傾向にあることが分かる。この傾向は、特に短周期側で顕著であった。これは、水流が水面下に存在する水車の上面を通過することでより大きなせん断流が発生し、エネルギーを損失しているからと考えられる。また、水車の径Ｄsが大きい程、水車上面の面積が大きくなり、より多くの波のエネルギーを消散し、反射率Ｋrの低減につながっていると考えられる。すなわち、透過性の前壁を設置せずとも、水車列により十分に消波を行うことができることが分かった。また、海域の静穏性を保つためには、水車の径を水深及び波浪の周期に応じて決定すればよいことが分かった。また、水車の径を水深の２０％〜５０％程度とした場合において、３０％〜８０％程度の反射率を実現することが可能であり、特に、水車の径を水深の５０％程度とした場合において、３０％〜５０％程度の反射率を実現することが可能である。【００８８】
また、上記実施形態に係る波力発電システムでは、水車軸に発電機が取り付けられているため、この発電機により水車軸に負荷（ブレーキ）が掛かり、水車軸の回転速度が小さくなると予想される。そこで、この影響を評価するため、様々な負荷トルクＴqに対する回転速度ＲE及び反射率Ｋrを測定したところ、図１４Ａ〜図１４Ｃに示す結果が得られた。図１４Ａ〜図１４Ｃは、それぞれＤs／ｈ＝０．２１５、０．３５０、０．５２５の場合のデータを示している。【００８９】
図１４Ａ〜図１４Ｃからは、負荷トルクＴqの増加とともに、回転速度ＲEは減少するが、反射率Ｋrには有意な変化が見られないことが分かる。すなわち、反射率は、発電機の負荷に影響を受けず、構造条件（水深、水車の径、周期、波長等の波浪条件）等に応じて決定されることが分かった。また、発電機の負荷によらず反射率が一定であることから、水車周りに形成される渦の発生により消散されるエネルギー量と、水車を回転させるために使用されるエネルギー量とからなるエネルギーの総消散量は、発電機の負荷によらず一定となることが分かった。【００９０】
＜２−２．獲得動力＞
様々な水車の径Ｄsに対する獲得動力効率Ｋeを、以下の式に従って算出したところ、図１５Ａ〜図１５Ｃに示す結果が得られた。図１５Ａ〜図１５Ｃは、それぞれＤs／ｈ＝０．２１５、０．３５０、０．５２５の場合のデータを示している。以下のＰpは、水車の回転により得られた単位幅あたりの獲得動力であり、Ｐwは、単位幅当たりの波のエネルギーである。なお、ρは、水の密度であり、ｇは、重力加速度である。また、以下の式中のＲEは、平均回転速度である。
【数１】
2015190297.tif 000003
【００９１】
既往研究によると、サボニウス水車による波のエネルギーを対象とした発電効率（獲得動力効率）は、５％程度であるとされている。一方、実施例１に係る波力発電システムでは、図１５Ａ〜図１５Ｃに示すとおり、いずれの水車の径Ｄsに対しても、獲得動力効率Ｋeの最大値は１０％以上となり、高い発電効率が期待されることが分かった。【００９２】
また、発電の安定性の観点からは、水車の回転速度の変動が少ないことが求められる。そこで、水車軸から０．１８ｍ沖側での推移変動ηと、水車の回転速度ＲEとの関係を調べたところ、図１６Ａ〜図１６Ｃに示す結果が得られた。図１６Ａ〜図１６Ｃは、それぞれＤs／ｈ＝０．２１５、０．３５０、０．５２５の場合のデータを示している。【００９３】
図１６Ａに示すとおり、Ｄs／ｈ＝０．２１５の場合には、１波に対して２回の回転速度のピークが現れた。このような傾向は、回転速度は入射波が水車列を通過する際に増大し、不透過壁で反射した反射波が沖側に伝播してゆく際に再び増大することによるものと考えられる。また、図１６Ｂ及び図１６Ｃに示すとおり、Ｄs／ｈが０．３５０，０．５２５と大きくなるにつれて、回転速度ＲEの変動は小さくなった。すなわち、水車の径が大きいと、水車が一度周り始めた後は慣性モーメントが作用して波の周波特性を受けにくくなり、安定した速度で回転するようになると考えられる。従って、発電の安定性の観点からは、水車の径が大きい方が有利であると言え、水車の径は、水深の３０％以上のサイズとすることが好ましく、特に５０％以上のサイズとすることが好ましいことが分かった。
【実施例２】
【００９４】
以下、本発明の実施例２について説明する。但し、本発明は、以下の実施例２に限定されない。【００９５】
＜１．実験条件＞
ここでは、実施例２として、造波水槽を用い、図１７、図１８Ａ及び図１８Ｂに示すような波力発電システムを作成した。具体的に説明すると、造波水槽のサイズは、長さ２０．００ｍ、幅０．５０ｍ、高さ０．６０ｍとし、最大水深ｈ＝０．４０ｍで一定とした。造波水槽の長さ方向の一端側（沖側）に造波板を設置し、造波板から他端側（岸側）に約１４ｍ離れた位置に水車列の回転軸を設置した。また、水車列の回転軸からさらにｌ[ｍ]岸側に、不透過壁を設置した。サボニウス水車の径Ｄs[ｍ]＝０．０７２とした。水車列に含まれる水車数は、６つとし、水車列を、隣接する水車が逆回転する互い違い回転構成とした。また、水車間距離Ｄ[ｍ]＝１．１Ｄsとした。水車列に含まれる各水車は、第１実施形態で説明した三段構成のサボニウス水車を二段構成に変更した構成とした。また、不透過壁から沖側にｌ’[ｍ]広がり、幅方向には造波水槽の幅だけ広がる直方体のステップ１１Ａを用意し、当該ステップ１１Ａ上に水車列を配置した。【００９６】
また、実施例２に係る波力発電システムでは、発電機の代わりに、図１２と同様の動力計測システムを設置し、水車軸に負荷トルクＴq[Ｎ・ｍ]を与えた。また、水車間（沖側）かつ静水面下０．０８ｍの位置に、アレック電子社製の電磁流速計を設置し、水車間の流速を計測した。また、水車軸の上端に取り付けたＡＴＲプロモーションズ株式会社製の加速度計（センサーコントローラ）を用いて、水車の回転速度ωをサンプリング周波数１００Ｈｚで計測した。さらに、水車の回転軸から約３．５ｍ沖側に２本の容量式波高計を設置し、入・反射波分離推定法（合田ら，１９７６年，不規則波における入・反射波の分離推定法，港湾技術研究所資料，Ｎｏ．２４８）を用いて、入射波の波高Ｈ[ｍ]及び反射率Ｋrを求めた。また、水車一本に作用する波エネルギーＤ・Ｐω（Ｐω＝ρｇＨ2／８）に対する水車の獲得動力Ｐの比として求められる一次変換効率Ｅを求め、これを水車の単位長さ当たりに換算したエネルギー変換効率Ｅ’＝Ｅ／Ｈsを求めた。なお、Ｈs[ｍ]は、水車の高さである。作用波は、周期Ｔ[ｓ]＝０．７３〜１．７１で、波形勾配Ｈ／Ｌ＝０．０２０の規則波とした。なお、Ｈは、波高であり、Ｌは、波長である。【００９７】
そして、ステップ１１Ａのみの条件下（case１：比較例）と、水車列のみの条件下（case２：実施例）と、図１７に示すステップ１１Ａ及び水車列の両方を用意した条件下（case３：実施例）において、ｌ’＝ｌ＋０．０４とし、ｌ＝０．２０ｍ，０．３０ｍ，０．４０ｍと変化させながら実験を行った。さらに、ｌ’＝０．４４（一定）として、ｌ／ｌ’を変化させて実験を行った。なお、case１の波力発電システムは、図１７の波力発電システムから水車列を除去したものである。また、case２の波力発電システムは、図１７の波力発電システムからステップ１１Ａを除去し、二段構成の水車列を三段構成に変更したものである。case１〜case３でのｈs／ｈ及び水車の高さＨsに関する実験条件は、下表のとおりである。なお、ｈs[ｍ]は、水車の設置位置での水深である。
【表１】
2015190297.tif 000004
【００９８】
＜２．実験結果及び評価＞
ステップ長（岸−沖方向のステップ１１Ａの長さ）ｌ’をｌ’=０．２４，０．３４，０．４４ｍと変化させた場合の、反射率Ｋrおよび水車間を通過する最大流速Ｖmax（ステップ１１Ａのみの場合には、水車の設置位置における計測値）は、それぞれ図１９Ａ〜図１９Ｃに示すとおりの結果となった。図中のｕmaxは，水深ｈ＝０．４０ｍにおける微小振幅波理論から求められる最大速度振幅を表している。同図からは、ステップ１１Ａのみのcase１では、概して反射率Ｋrは０．６以上と高い傾向にあることが分かった。水車列のみのcase２は，いずれのｌ’条件下においても、case１よりも反射率が低いことが分かった。さらに、ステップ１１Ａ上に水車列を設けたcase３では、短周期帯においてはcase２とほぼ同じＫrとなっているが、長周期帯においては大幅なＫrの低下傾向が見られ、ステップ１１Ａが長い程この傾向が顕著であることが分かった。一方、case３のＶmax／ｕmaxは、case２のそれよりも大きい。従って、ステップ１１Ａ上に水車を設置することにより、水車間を通過する流速が速くなりエネルギー散逸が大きくなって、反射率Ｋrが低下したと考えられる。【００９９】
以上より、反射率Ｋｒは、case３で最も低く、case２で次に低く、case１で最大になる傾向が確認された。従って、水車列により消波性能が向上し、さらに水車列をステップ１１Ａ上に設置した場合には、消波性能がさらに向上することが確認された。【０１００】
図２０Ａ及び図２０Ｂは、ステップ長ｌ’＝０．４４（一定）にして負荷トルクＴqを与えたときの、それぞれcase２およびcase３のエネルギー変換効率Ｅ’を示している。同図より、case３でのＥ’の極大値は０．６程度であり、case２では０．４程度であり、case３での方がcase２の場合よりも、概してエネルギー変換効率Ｅ’が高いことが分かった。従って、水車列をステップ１１Ａ上に設置することで、発電効率が向上することが分かった。より詳細には、ステップ１１Ａを設けたうえで水車列を設置した場合、概ねエネルギー変換効率Ｅ’が向上するとともに、いずれの周期の波に対してもほぼ一定の負荷トルク（Ｔq＝０．００３Ｎ・ｍ程度）で最大エネルギー変換効率を取ることが分かった。このことは、効率良くエネルギーを獲得するための最適負荷トルクが、対象の波の周期にかかわらず一定であることを意味し、二次変換機構（発電機等を作動させるための機構）の設計においては有用な知見が得られていると言える。【０１０１】
図２１は、ステップ長ｌ’＝０．４４（一定）の条件下で、ｌ／ｌ’＝０．４５，０．６８，０．９１と変化させたときの、反射率Ｋr及び水車間を通過する最大流速Ｖmaxとを示している。同図からは、ｌ／ｌ’が大きくなるほど、すなわち、水車列の設置位置がステップ１１Ａの沖側になるほどＫrの極小値が小さくなる傾向があることが確認された。従って、消波の観点からは、水車列は、ステップ１１Ａの沖側端の近傍に配列することが好ましいことが分かった。【０１０２】
図２２Ａ及び図２２Ｂは、それぞれｌ／ｌ’＝０．９１，０．４５の場合の一次変換効率Ｅを示している。同図からは、ｌ／ｌ’が大きくなるほど、すなわち、水車列の設置位置がステップ１１Ａの沖側になるほど、一次変換効率Ｅの極大値が大きくなる傾向があることが確認された。従って、発電効率の観点からも、水車列は、ステップ１１Ａの沖側端の近傍に配列することが好ましいことが分かった。
【符号の説明】
【０１０３】
１，１０１，２０１，３０１  波力発電システム
２  水車列（回転体列）
３  発電機
１０  不透過壁
１１，１１Ａ，１１Ｂ  土台（ステップ）
１２  屋根部（上壁部）２０，１２０  水車（回転体）
１２０Ａ  第１水車
１２０Ｂ  第２水車
２１，１２１  回転軸
１１８  流入領域
１１９  流出領域
１５０，２５０，３５０  第１整流部材
１６０，２６０，３６０  第２整流部材
【図１】
2015190297.tif 000005
【図２】
2015190297.tif 000006
【図３】
2015190297.tif 000007
【図４】
2015190297.tif 000008
【図５】
2015190297.tif 000009
【図６】
2015190297.tif 000010
【図７】
2015190297.tif 000011
【図８】
2015190297.tif 000012
【図９】
2015190297.tif 000013
【図１０】
2015190297.tif 000014
【図１１Ａ】
2015190297.tif 000015
【図１１Ｂ】
2015190297.tif 000016
【図１１Ｃ】
2015190297.tif 000017
【図１２】
2015190297.tif 000018
【図１３Ａ】
2015190297.tif 000019
【図１３Ｂ】
2015190297.tif 000020
【図１３Ｃ】
2015190297.tif 000021
【図１４Ａ】
2015190297.tif 000022
【図１４Ｂ】
2015190297.tif 000023
【図１４Ｃ】
2015190297.tif 000024
【図１５Ａ】
2015190297.tif 000025
【図１５Ｂ】
2015190297.tif 000026
【図１５Ｃ】
2015190297.tif 000027
【図１６Ａ】
2015190297.tif 000028
【図１６Ｂ】
2015190297.tif 000029
【図１６Ｃ】
2015190297.tif 000030
【図１７】
2015190297.tif 000031
【図１８Ａ】
2015190297.tif 000032
【図１８Ｂ】
2015190297.tif 000033
【図１９Ａ】
2015190297.tif 000034
【図１９Ｂ】
2015190297.tif 000035
【図１９Ｃ】
2015190297.tif 000036
【図２０Ａ】
2015190297.tif 000037
【図２０Ｂ】
2015190297.tif 000038
【図２１】
2015190297.tif 000039
【図２２Ａ】
2015190297.tif 000040
【図２２Ｂ】
2015190297.tif 000041
【国際調査報告】
2015190297.tif 000042
2015190297.tif 000043