ふりこ型波力発電装置の最適システムに関する実験的研究

ふ

り

こ 型

波

力

発

電

装

置

の

最

適

シ

ス

テ

ム

に

関

す

る

実

験

的

研

究

関 西 電 力 株 式 会 社 総 合 技 術 研 究 所

副 所 長

阿 河 俊 夫

同

上

構 築 研 究 室

藤 田 修 一

1.は じ め に 関 西 電 力 で は 、 新 エ ネ ル ギ ー に 関 す る 各 種 の 研 究 を 実 施 し て い る が 、 そ の 一 環 と し て 波 力 エ ネ ル ギ ー に つ い て も 研 究 を 行 っ て い る 。 こ の 研 究 の 目 的 は 、 入 射 す る 波 の エ ネ ル ギ ー を ど の 程 度 ま で 電 気 エ ネ ル ギ ー と し て 吸 収 で き る か を 把 握 す る も の で 、 そ の た め に 実 海 域 に プ ロ ト タ イ プ の 実 験 機 を 設 置 す る こ と を 検 討 し て い る 。 波 エ ネ ル ギ ー の 変 換 シ ス テ ム に つ い て は 、 従 来 か ら各 所 で 種 々 の 形 式 の 変 換 シ ス テ ム に つ い て 研 究 が 行 わ れ 、 理 論 的 解 析 、 実 験 等 の 報 告 が な さ れ て い る が 、 こ こ で は 、 小 波 浪 に 対 し て 比 較 的 エ ネ ル ギ ー 吸 収 効 率 が 良 い と 考 え ら れ る 機 械 式 変 換 シ ス テ ム を プ ロ ト タ イ プ 機 と し て 採 用 す る こ と を 前 提 と し て 事 前 に 検 討 す べ き 項 目 の う ち 、 水 理 模 型 実 験 を 行 っ て 検 討 し た 結 果 に っ い て 報 告 す る も の で あ る 。 2.ふ り こ 型 波 力 発 電 装 置 に つ い て 機 械 式 波 力 変 換 シ ス テ ム の う ち 、 ふ り こ 型 波 力 発 電 装 置 は 渡 部 ・近 藤1)ら に よ っ て 考 案 さ れ た も の で 、 沖 合 に 向 け て 開 口 し た 水 室 を 持 っ ケ ー ソ ン 内 に ふ り こ を 設 置 し 、 沖 合 か ら の 入 射 波 を 水 室 内 へ 導 入 し 、 後 室 か ら の 反 射 で 定 常 波 に 変 え 、 こ れ に よ っ て お こ る ふ り こ の 振 動 を 油 圧 シ リ ン ダ ー に 伝 え 、 油 圧 機 器 に よ り 発 電 装 置 を 駆 動 す る シ ス テ ム で あ り 、 室 蘭 港 外 に 実 験 プ ラ ン ト が 設 置 さ れ て い る と 共 に 、 水 室 の 寸 法 、 ふ り こ の 大 き さ 、 動 き 等 か ら 定 ま る エ ネ ル ギ ー 変 換 の 基 本 的 特 性 に つ い て も 既 に 報 告 が 行 な わ れ て い る 。 こ れ に よ る と 、 ふ り こ 型 波 力 発 電 装 置 の 波 力 エ ネ ル ギ ー 吸 収 効 率 η は n=油 圧 シ リ ン ダ ー が 吸 収 し た パ ワ ー Ep ふ り こ に 入 射 し た 波 力 パ ワ ーW=ηf・ ηk

(1)

い ま 水 深h=一 定 、 入 射 波 は 微 小 振 幅 の 規 則 波 と み な し た 場 合 、 ηfお よ び ηkは 次 の 様 に な る 。

(2)

(3)

こ こ で 、 ΣI:ふ り こ の 付 加 水 を 含 ん だ 慣 性 モ ー メ ン ト 、N:負 荷 係 数 、No:造 波 ダ ン ピ ン グ 係 数 、 ρ:水 の 密 度 、 ω:入 射 波 の 角 振 動 数 、ke:シ リ ン ダ の ば ね 定 数=Fc/Xc、r:ふ り こ 支 点 か ら シ リ ン ダ 駆 動 点 ま で の 距 離 。

(4)

た だ し 、Kは ふ り こ 系 の 復 元 係 数 。

(5)

(6)

た だ し 、koはko tanh (ko h)=ω2/gの 関 数 で 示 さ れ る 波 数(g:重 力 の 加 速 度)で あ り 、a:ふ り こ 支 点 か ら 水 面 ま で の 距 離 で あ る 。 こ の 場 合 、 ふ り こ は 正 弦 波 状 揺 動 運 動 を 行 い 、そ の 運 動 方 程 式 は 次 に 示 さ れ る 。

(7)

た だ し 、t:時 間 次 の 条 件 が す べ て 満 足 き れ る と き η は 最 高 と な る 。 (1)ふ り こ をd/L=0.25の 位 置 に 設 置 す る 。た だ しd:水 室 長(図-1)、L:入 射 波 の 波 長 ―89―

(2) ふ り こ 系 の 固 有 角 振 動 数 ω。を 入 射 波 の そ れ に 等 し く す る 。 ω 。=ω (3) N=No=(2ρ ωY2o)/(ko4Xo)に セ ッ ト す る 。 (4)ke=∞に近づける以上がすべて満足されると ηf=nk=1と な り η=1が 得 ら れ る。2) と さ れ て い る 。 一 方 、 当 社 に お い て 現 在 検 討 中 の ふ り こ 型 波 力 発 電 装 置 の プ ロ ト タ イ プ 機 の 構 造 は 図 一1に 示 す よ う な も の で あ り 、 設 置 予 定 海 域 の 波 浪 出 現 頻 度 は 表-1に 示 す と お り で あ る 。 こ の 海 域 に 入 射 す る 波 を 最 も 効 率 良 く 吸 収 で き る プ ロ ト タ イ プ 機 を 設 計 す る た め に は 、 年 間 を 通 算 し て 出 現 頻 度 の 高 い 波 浪 を 設 計 対 象 波 浪(標 準 波 浪)と し て 選 定 す る 必 要 が あ り 、 こ こ で は 、 周 期 はT=3.5sec.か らT=6.5sec.で あ り 、 平 均 的 に はT=5sec.と な る 。 こ の 値 を 上 記 基 本 特 性 に 代 入 す る と 最 も 効 率 の 良 い 装 置 の 諸 元 が 選 定 で き る こ と に な る 。 (1)項 に 対 し て は 、T=5sec.を 水 深10m程 度 に お け る 波 長 に 換 算 す る とL=36.56mと な り 、 最 適 水 室 長d =o.25Lか ら9.1mが 得 ら れ る が 、(2)項 以 下 の 項 目 に 対 し て は 別 途 水 理 模 型 実 験 を 行 っ て 決 定 す る 必 要 が あ る も の と 思 わ れ る 。

表-1 

波 浪 出 現 頻 度

3.水 理 模 型 実 験 の 概 要 水 理 模 型 実 験 は 、 当 社 総 合 技 術 研 究 所 構 内 に 設 置 し て あ る 水 深1m、 幅1m、 長 ざ 約50mの 規 則 波 、 不 規 則 波 発 生 装 置 を 持 っ た2次 元 造 波 水 槽(図-2)内 に 、 図-3 に 示 す よ う に 、 幅980mm、 最 大 高 さ600mmの ふ り こ を 備 え た 、 縮 尺1/5の 波 力 エ ネ ル ギ ー 吸 収 装 置 の シ ス テ ム 模 型 を 設 置 し 、 こ れ に 造 波 装 置 か ら 波 高1∼10cm、 周 期 1.34∼4.02sec.の 規 則 波 を 入 射 さ せ て エ ネ ル ギ ー 吸 収 効 率 η が 下 記 の 項 目 を パ ラ メ ー タ ー と し て ど の よ う な 関 連 を 持 っ か 、を 把 握 す る こ と を 目 的 と し て 実 施 し た 。 (1)  d/Lの 変 化 (2)  aとhの 寸 法 (3)  シ ス テ ム に か け る負 荷 の 大 き さ (4) 入 射 波 浪(波 高 、 周 期) 図-2  2次 元 造 波 水 槽 概 要 図(単 位;mm)

図-1 

ふ り こ型 波 力 発 電 シ ス テ ム概 要 図

図-3  模 型 全 体 組 立 図(単 位;mm) 前 述 の よ う に 、エ ネ ル ギ ー 吸 収 効 率 η を 把 握 す る た め に は 、 入 射 エ ネ ル ギ ーWと シ ス テ ム に よ る 吸 収 エ ネ ル ギ ーEを 求 め る 必 要 が あ る 。 入 射 エ ネ ル ギ ーWは 、 入 射 波 高H、 入 射 波 周 期Tを 測 定 し(1/2)H2Tに よ り 求 め 、 吸 収 エ ネ ル ギ ーEは 、 シ ス テ ム の 負 荷 に よ る 消 費エ ネ ル ギ ーPに 置 き 換 え て 求 め た 。 周 期Tに お け る 消 費 エ ネ ル ギ ーPは 、 こ こ で 、N:負 荷 、 θ:ふ り こ の 回 転 角 、r:ピ ニ オ ン の 半 径 と し て 求 め る こ と が で き る 。 ―90―

実 験 で は 、Nは ロ ー ド セ ル に よ り 計 測 し 、 θ は ポ テ ン シ オ メ ー タ に よ り 計 測 し た が 、 θ とNは1/100秒 間 隔 でA/D変 換 し て 計 算 機 に 取 り 込 み 、 ふ り こ 板 の 角 速 度 θ は θ を 数 値 微 分 し て 求 め た。 ま た 、 上 記(3)の シ ス テ ム に か け る 負 荷 の 大 き ざ の 検 討 に 当 た っ て は 、 ケ ー ソ ン 水 室 寸 法 か ら 決 ま る 造 波 ダ ン ピ ン グ 係 数Noと ふ り こ 板 に か け る 負 荷 の 大 き さNの 比N/Noを 変 化 さ せ て 実 験 を 行 っ た 。 4.実 験 結 果 実 験 は 、 各 種 の 条 件 を 変 化 き せ た650ケ ー ス に つ い て 実 施 し た が 、 ふ り こ の 負 荷 の 大 き ざNを 任 意 に 設 定 す る こ と が 実 験 上 む つ か し か っ た の で 、 適 当 な 負 荷 を 与 え 、 N/Noで 整 理 し 、 実 験 点 の バ ラ ツ キ に つ い て は 、 最 小2乗 法 を 用 い た3次 式 に よ り 決 定 し た 。 整 理 の 一 例 を 図-4に 示 す 4-1．d/Lに よ る 変 化 に つ い て N/No=0.3、O.5、O.7の3ケ ー ス に つ い て 、d/Lを パ ラ メ ー タ ー と し た η の 変 化 を 図-5に 示 す 。 こ れ か ら わ か る よ う に 、N/Noが 変 化 し て も η の 最 大 値 は 、d/L= 0.25の 位 置 に あ り 、 理 論 的 に 提 案 さ れ て い る 最 適 点 と 良 く 一 致 し 、 理 論 の 妥 当 性 と 共 に 、 こ の 模 型 の 再 現 性 の 良 さ を 確 認 し た 。 4-2.aとhの 寸 法 に よ る 変 化 に つ い て aとhの 最 適 な 組 み 合 わ せ を 把 握 す る た め 、 波 高H= O.2m、 周 期T=5sec.の 標 準 波 を 入 射 さ せ 、d/L=0.25 を 一 定 と し て 、aとhを 変 化 さ せ た 実 験 を 行 っ た 。 こ の 結 果 、 図-6に 示 す よ う にhに つ い て は 、 実 物 値 で3.5 ∼4.Om程 度 が 最 適 値 と な り 、aに つ い て は 、 そ の 値 が 小 さ い ほ ど η は 大 き く な っ た 。 4―3.シ ス テ ム に か け る 負 荷 の 大 き さ に よ る 変 化 に つ い て 実 物 値 でa=O.75m、h=3.5m、d/L=O.25の ケ ー ス に っ い て 、 標 準 波 を 入 射 さ せ て 、N/NOを 変 化 さ せ た 時 の η の 変 化 を 図-7に 示 す 。 図 か ら わ か る よ う に 、N/NO =0 _{.5付 近 で 最 高 効 率 が 得 ら れ て お り 、 そ の 比 が 非 常 に} 小 さ い 場 合 は 、 効 率 が 極 端 に 低 下 す る の で あ ま り 過 小 な 負 荷 を か け る こ と は 良 く な い 。 4-4.入 射 波 浪 に よ る 変 化 に つ い て 標 準 波 に よ り 設 計 さ れ た シ ス テ ム に 、 波 高 ・周 期 の 異 な る 波 が 入 射 し た 場 合 の η の 変 化 に つ い て 測 定 し た 結 果 を 図-8に 示 す 。 こ の 図 か ら わ か る よ う に 、 波 高 が 特 に 低 く な い か ぎ り 、 効 率 は 波 高 の 影 響 を あ ま り 受 け な い 。 設 計 波 周 期 よ り 短 か い 波 周 期 で の 効 率 低 下 は 急 で あ る が 、 長 い 周 期 の 波 に 対 し て は 効 率 の 低 下 は 比 較 的 緩 や か で あ る 。 図-4実 験 点 の バ ラ ツ キ 図-5d/Lに よ る 波 エ ネ ル ギ ー 吸 収 効 率 図-6aとhに よ る 等 効 率 分 布 図-7N/Noに よ る 波 エ ネ ル ギ ー 吸 収 効 率

図-8HとTに

よ る 等 効 率 分 布

― 91―

5.プ ロ ト タ イ プ 機 の 設 計 へ の 反 映 以 上 の 実 験 結 果 を 勘 案 し て プ ロ ト タ イ プ 機 の 設 計 諸 元 を 決 定 す る こ と に な る が 、d/Lに っ い て は0.25を と る こ と が 、 最 適 で あ る こ と が 決 ま っ て い る の で 、 設 計 標 準 周 期 をT=5sec.と す る 場 合 、 水 深 を ど う す る か が1つ の 問 題 点 と な る 。 水 深10m程 度 で あ れ ば 波 長 は 前 述 の よ う にL=36.56mと な る が ケ ー ソ ン 室 内 の 水 深 は こ れ よ り 浅 い の で 、 も っ と 小 さ い 値 で あ る 。 さ ら に 図-8か ら設 計 波 周 期 よ り短 か い 波 が 入 射 し た 場 合 の エ ネ ル ギ ー 変 換 効 率 の 低 下 は 大 き く 、 設 計 標 準 波 周 期 を 小 さ め に と る こ と が 得 策 で あ る と も 考 え ら れ る 。 そ こ でT=4sec.を 採 用 す る と 、 水 深10m程 度 の 波 長 はL=24.65mと な り 、最 適 なdは6.16mと な る 。 こ こ で は 、 ケ ー ソ ン の 安 定 性 そ の 他 も 考 慮 し て7mを 提 案 し て い る 。 軸 受 け の 水 面 上 の 高 さ に っ い て は 、 図-6か ら 小 さ い ほ ど 有 利 で あ る こ と が わ か っ て い る が 、 潮 位 の 変 動 、 機 械 装 置 と し て の 必 要 高 さ 等 か ら 、a=0.75m程 度 は 必 要 で あ ろ う と考 え ら れ る 。 標 準 波 高 を0.2mと す る と 、1Kw程 度 の 発 電 を 期 待 す る た め に は ふ り こ の 受 圧 幅 を5皿 以 上 に す る 必 要 が あ り 、こ こ で は6mと し た 。 こ の 実 験 か ら 、負 荷 はN/Noを0.5に す る こ と が 、 最 適 と な っ て い る の で 図-1に 示 す よ う に 電 力 負 荷 を 任 意 に 調 整 で き る シ ス テ ム を 考 慮 す る 。 以 上 の 条 件 を ま と め て プ ロ ト タ イ プ 機 の 試 設 計 を 行 っ た 結 果 を 図 ―9に 示 す 。

図-9ふ

り こ型 波 力 発 電 装 置 設 計 図(断

面 図)

6.今 後 の 課 題 ふ り こ 型 波 力 発 電 装 置 に つ い て 、 近 藤 ら が 提 案 し て い る 基 本 特 性 に 従 い 、2次 元 造 波 水 槽 内 に 大 型 水 理 模 型 を 設 置 し 、 規 則 波 を 入 射 ざ せ て 基 礎 的 実 験 を 行 な い プ ロ ト タ イ プ 機 の 設 計 に 反 映 で き る 資 料 を 得 る こ と が で き た 。 し か し 、 実 海 域 で は 、 波 周 期 の 問 題 、 波 浪 の 不 規 則 性 の 問 題 、 お よ び 入 射 角 度 の 問 題 等 が あ り 、 今 後 は 、 こ の 点 に つ い て も 、 平 面 水 槽 を 用 い た3次 元 実 験 等 を 行 っ て 解 明 し て い き た い と 考 え て い る 。 ま た 、 エ ネ ル ギ ー 吸 収 装 置 の 機 械 的 問 題 お よ び 軸 受 け の 位 置 に つ い て も 、 新 た な 観 点 か ら 検 討 が 必 要 で あ る と 考 え て い る の で 、 今 後 機 会 を 見 つ け て 報 告 し た い 。 最 後 に 、 御 指 導 い た だ い た 室 蘭 工 業 大 学 渡 部 富 治 教 授 ・近 藤 淑 郎 教 授 に 、 紙 上 を か り て 御 礼 申 し 上 げ ま す 。

参 考 立 献

1).

T.'atabe

et

al.:

U. S. A. Patent

No. 4400940 (1983) , U . K. Patent

No. 2071772 (1983)

& Canadian

Patent

No.1164767(1984)

2).渡 部 富 治,他:沿 岸 固 定 形 ふ り こ 式 波 力 発 電 装 置 の 特 性,昭 和59;第1回 波 浪 エ ネ ル ギ ー 利 用 シ ン ポ ジ ウ ム 講 演 集(海 洋 科 学 技 術 セ ン タ ー)