ＯＴＥＣ
固定式 OWC 型波力発電装置のエネルギー変換効率に及ぼすカーテンウォール
Vol. 23 (2018)，33 〜 37
没水深さの影響33

固定式 OWC 型波力発電装置のエネルギー変換効率に及ぼすカーテンウォール
没水深さの影響村上 天元*1，今井 康貴*1，永田 修一*1，高尾 学*2，瀬戸口 俊明*1
Effect of Curtain Wall Depth on Energy Conversion Efficiency of a Fixed OWC-Type Wave
Energy Converter
Tengen MURAKAMI*1, Yasutaka IMAI*1, Shuichi NAGATA*1, Manabu TAKAO*2 andToshiaki SETOGUCHI*1
Institute of Ocean Energy, Saga University
1, Honjo, Saga, 840-8502, Japan*2
Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology, Matsue College
14-4, Nishiikuma, Matsue, Shimane, 690-8518, Japan*1

Abstract
A fixed oscillating water column (OWC)-type wave energy converter is composed of an air chamber, an air turbine and agenerator. In this unit, the energy conversion process is divided into two main steps, the primary conversion in an air chamber
and the secondary conversion in an air turbine. For the practical application of a fixed OWC-type wave energy converter, it isnecessary to develop a design method which can consider the characteristics of incident wave motion, the motion of theinternal free surface affected in the structure such as a partly submerged wall, the fluctuation of air pressure in an air chamber,and the rotation of the air turbine. On the other hand, the impulse turbine as the secondary conversion device in the OWC unit
is expected to achieve high efficiency throughout a wide flow rate range. In this paper, the authors conducted the2-dimensional wave tank tests in regular waves by means of the model OWC equipped with the impulse turbine and agenerator to obtain the experimental data needed to make this design method. As the result, the effects of the curtain wall
depth and the wave length on the energy conversion efficiency of the OWC are clarified experimentally.
Key words : Wave energy, Oscillating water column, Primary conversion, Secondary conversion, Impulse turbine

1. 緒

言

振動水柱（OWC）型波力発電装置は，空気室と空気タービンから構成されて，台風等の異常海象下では，空気室壁の弁を開けて空気室内の空気を大気開放することが可能なため，安全な装置として認識されており，沿岸固定式の場合はタービン・発電機がケーソン上部に据え付けられるため，沖合浮体式と比べて保守が極めて容易となる．
OWC 型装置のエネルギー変換過程は，波浪の上下動を空気の振動流に変換する一次変換（Takahashi, et al., 1985）と，空気の振動流をタービンの回転エネルギーに変換する二次変換（Takao, et al., 2012）とに分けられる．なお，二次変換装置としてウエルズタービンと衝動タービン（Setoguchi, et al., 2001）があり，ウエルズタービンは高速回転型，衝動タービンは高流量域で失速しない優れた特徴を有する．
本報告では，衝動タービンおよび発電機を装備した固定式 OWC 型波力発電装置のエネルギー変換効率に及ぼすカーテンウォール没水深さおよび波長の影響について述べる．

原稿受付 2018 年 8 月 3 日*1
佐賀大学 海洋エネルギー研究センター（〒840-8502 佐賀県佐賀市本庄町 1）*2
松江工業高等専門学校 機械工学科（〒690-8518 島根県松江市西生馬町 14-4）
E-mail of corresponding author: murakami@ioes.saga-u.ac.jp

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村上 天元 , 今井 康貴 , 永田 修一 , 高尾 学 , 瀬戸口 俊明

2. 実験装置
図 1 は実験に用いた固定式 OWC 型波力発電装置の模型を示す．模型は，長さ 18.5 m，幅 0.8 m，水深 0.8 m の二次元水槽の端に設置し，もう一方の端に設置してある吸収制御式のプランジャー型造波機によって，波高 H = 0.1 m の規則波を発生させて実験を行った．空気室の奥行 L は 700 mm，カーテンウォールの厚さは 5 mm，基準のカーテンウォール
没水深さ dc は 100 mm である．タービンケーシング
内径は 170 mm，ハブ比は 0.7 である．なお，タービン軸端にはプーリとベルトを介して発電機が設置されている．図 2 は空気室上部に設置した圧力計および波高計の配置を示す．空気室上部開口部は空気室中央に位置し，波高計は左舷側 3 箇所と右舷側 2 箇所に設置した．
図 3 は衝動タービンの形状を示す．ロータの翼枚単段の案内羽根枚数 Zg は 26 枚であり，数 Zr は 30 枚，ロータの入口（出口）角は 60 deg.，案内羽根設定
角は 30 deg.である．
本実験では，二次変換効率を求めるため，図 4 に示すように，タービンを AC 同期モータと入れ替えて，プーリおよびベルトを含む発電機部のエネルギー変換効率を計測した．なお，ここでのタービン軸の時間平均回転速度は，上述の規則波中試験結果と一致している．

3. 実験結果
図 5 は，従前の実験結果であり，発電機およびタービンの回転速度比 Ng/Nt が 0.5，0.6，0.8 の場合の効率を比較している．横軸は電気抵抗値 R である．
入射波の波長は，後述の高い一次変換効率が得ら

Fig. 1 Model OWC with impulse turbine and generator.

れる条件/L = 6.3 に対応している．効率1，2，および3 は以下の式で定義される．

1 PairPwave（1）2 Pin
1 Pair（2）Pout 1  1 2Pwave 3（3）Fig. 2 Positions of pressure and wave height gauges.

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固定式 OWC 型波力発電装置のエネルギー変換効率に及ぼすカーテンウォール
没水深さの影響3 

PoutPin（4）

ここで，Pair，Pwave，Pout および Pin はそれぞれ時間平均の空気室内空気パワー，入射波パワー，発電機出力およびモータ入力を表し，これらのパラメータは以下の式で定義される．

z
S Tp(t ) dt
0tT
1Pwave   w g i2 CgW
2Pair （5）V2R（7）

Pin  T0

（8）

Pout Fig. 3 Configuration of rotor and guide vane.

（6）

S，T，p，z，w，g，i，Cg，W，V，T0 およびは，空気室水線面積，波周期、空気室内圧力，空気室内
5 箇所平均水位，水密度，重力加速度，入射波振幅，群速度，空気室幅，誘起電圧，タービン出力トルクおよびタービン角速度をそれぞれ表す．
図 5 に示すように，速度比 Ng/Nt がいずれの場合

Fig. 4 Arrangement of test devices to measureefficiency of generator, pulleys and belt.

も電気抵抗値 R がからまで増加するに伴い，二次変換効率2 は単調増加し，Ng/Nt = 0.5 の0.8場合に効率(= 12)の最大値 0.27 が得られた．この

Ng/Nt = 0.5ことから，以下の実験では Ng/Nt = 0.5 および R = 3040
の条件を適用した．

70 mm，150 mm および 200 mm に変更した．横軸の/L に対応する波周期は 1.15 s，1.30 s，1.41 s，1.50 s，1.56 s，1.65 s，1.73 s，1.87 s，2.03 s，2.30 s，2.63 sである．図 6 に示すように，dc/H が 2.0 から 1.0 へ1, 2, 

図 6 は効率の波長/L 変化を示す．波高 H は 100mm 一定であり，dc を基準の没水深さ 100 mm から

Ng/Nt = 0.60.6

Ng/Nt = 0.8

10.4

2

0.2

浅くなるに従い，1 の最大値は増加し，dc/H が 1.0および0.7 の場合はほぼ同じ高い値を示した．
一方，二次変換効率2 の最大値においては dc/H による違00

1500

30004500

いは見られなかった．その結果，dc/H = 1.0，0.7 のR

場合にほぼ同じ効率の最大値 0.27 が得られた．

Fig. 5 Changes in efficiencies due to electric resistor.

図 7 は発電機部の効率3 である．dc/H がいずれの場合も/L が 2.9 から 4.9 へ増加するに伴い，3 は急激に増加し，波長が/L = 4.9 よりも長い領域ではこの増加傾向は緩やかになった．これらの傾向はタービン回転速度に依存している．

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村上 天元 , 今井 康貴 , 永田 修一 , 高尾 学 , 瀬戸口 俊明

dc/H = 0.7
dc/H = 1.0

1, 2, 

0.6

0.6dc/H = 1.5dc/H = 2.00.4

10.4d /H = 1.0c0.2d /H = 1.5c

20



0.2dc/H = 0.7

30.8dc/H = 2.004

 /L812Fig. 7 Energy conversion efficiency of generator,004 /L8pulleys and belt.

121.2

次に，図 8 および図 9 は空気室内圧力振幅および水位振幅である．圧力振幅の最大値は，dc/H がいずれの場合も図 6 に示した1 の最大値が確認された波/wgiFig. 6 Changes in efficiencies due to /L.

長/L 近傍で得られた．一方，水位振幅においてはdc/H = 1.5dc/H = 1.00.8dc/H = 2.00.40

図 9 に示すように，波長が長くなるにつれて単調増

dc/H = 0.7加した．

0さらに，図 10 は上述の水槽実験および，空気室下

4 /L

812Fig. 8 Pressure amplitude in air chamber.

部をアクリル板で塞ぎ，遠心ファンで定常流を発生させた波の影響が無い定常流試験で得られた二次変換効率を比較している．なお，横軸の流量係数は1.5以下の式で定義される．
（9）dc/H = 1.01 / ivU adc/H = 0.7

ここで，va および U はそれぞれタービン部軸流速dc/H = 2.0dc/H = 1.50.5度，平均半径 r [= D(1+)/4, ：ハブ比]における周速0度を表す．
dc/H がいずれの場合も，波長が/L = 2.9 から長く0なり，タービン回転速度が高くなるに従い，運転流量範囲は低流量側へと移行し，その結果，定常流試

4 /L812Fig. 9 Water surface elevation in air chamber.

験結果のピーク値とほぼ同レベルの二次変換効率の最大値2が達成された．
4. 結言

本研究では，衝動タービンと発電機を装備した固定式 OWC 型波力発電装置のエネルギー変換効率に及ぼすカーテンウォール没水深さおよび波長の影響を実験的に検証した．カーテンウォール没水深さは dc/H = 0.7，1.0，1.5 および 2.0 の 4 通り，波長は/L = 2.9 から 9.7 まで段階的に変化させた．その結果，dc/H = 0.7 および 1.0 の場
合に，ほぼ同じ高い一次変換効率が得られることが明らかになった．

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固定式 OWC 型波力発電装置のエネルギー変換効率に及ぼすカーテンウォール
没水深さの影響謝0.6

辞dc/H = 0.7

本研究の一部は，経済産業省/三菱総合研究所受託

dc/H = 1.00.4

2

研究「新エネルギー等共通基盤整備促進事業」の一環で実施された．

0.2
文

献

0Steady flow test

dc/H = 1.5
dc/H = 2.0

Takahashi, S., Ojima, R., Suzumura, S., Air Power
0246Pneumatic-Type Wave Power Extractors due toIrregular Wave Actions — A Study on Development
Fig. 10 Variation of secondary conversion efficiencyof Wave Power, 3rd Report, Port Harbour Researchdue to flow rate.
Institute, Vol.24, No.1 (1985), pp.3-41.
Takao, M., Setoguchi, T., Air Turbines for Wave Energy
Conversion, International Journal of Rotating
Machinery, Vol.2012 (2012), Article ID 717398, doi:10.1155/2012/717398, 10 pages.
Setoguchi, T., Santhakumar, S., Maeda, H., Takao, M., Kaneko, K., A Review of Impulse Turbines for Wave Energy
Converter, Journal of Renewable Energy, Vol.23 (2001), pp.261-292.