g. 弁なし波力発電方式に関する基礎も 究

９．弁なし波力発電 方式に関す る基礎研究
益 田 善 雄
横
溝
宏
典
海洋科 学技術 セ ンタ ーで ，昭和53 年度 から実海実験 を行っ てい る波 力発電装置 には，波 の上下動 によ る
空 気流 の往復運 動 を，一定 方向 に整流 す る弁 機構 を備 えてい る。
こ の弁 機構 によ る損失 を なくし，出 力および効率 の向上 を計 ること を目的として，弁 なし方式 タービ ン
の水槽実験 を行っ た。 その結 果，ウェ ルスタービ ンが，有望 であ ろ うと の結論 を得 たので ，報告す る。
The Basic Study for the Valveless Air Turbine Wave Power
Generator System
Yoshio Masuda,*2 Hiromichi
― "KAIMEI"
The
Yokomizo*
―experiences some
wave power generator system with air turbine
valve losses.
Taking these valve losses off enables us to improve its power and efficiency.In
this paper , we shall try to experiment on the valveless airturbineswith four small
models.
As the resalt, we obtained a conclusion that the Weils turbine and the Savonius
turbine were promising as valveless systems.
こ の過 程 の中 で ，弁 機構 とい うのは ，空 気 の往
１． は じ め に
復流 を タ ービ ンに対 して ， 常 に一 定方向 の空 気流
海洋 の波 のエ ネルギ ーを利 用 す る発電 方式 は，
に整流 す る役目 を持つ もので あ る。 この機構 は，
数 多く の 考案 があり，種 々の 実験 が水槽 や 実海域
一 方向 性 し か持 た ない タ ービ ン にとっ て は， 必 要
で 行 わ れて い る。
不可 欠 なも ので あ る。
海洋科 学技術 セ ン タ ーで は ，波 の上 下 動 を空 気
も し， タ ービ ンが空 気 の往 復流 に対 して 常 に同
の往 復流 に変 換 し，空 気 タ ービ ンを回転 させ ，発
方向 に回転 す るなら ば，弁 機 構 は 必要 で なく ，構
電 す る空 気 タ ービ ン方式 を採 用 し ，昭 和53 年 度 に
造 の簡 素化 によ る保守 の簡 易 化 お よ びコ ストの低
は ，波 力発電 シス テ ム“ 海明” の 実海域 実験 を行
減 が計 れ， また弁 損失 の除去 によ る効 率 ， 出 力の
っ た。
向 上 などの利点 がで てく る。
こ の システ ム構 成 は，下 記 の よ う に なっており ，
記載順 に波 のエ ネルギ ーの変 換 が行 わ れてい る。
こ の よ う な利点 を わ きま え，弁 なし波 力発電 方
式 と し て， 次 に述 べ る４種 類 の タ ービ ン につ い て
（1） 波 の上 下 運動
水 槽 試験 を行 っ た結 果， ウェ ルズ タービ ン方式 が，
（2）“ 海 明” 本体 （ 空 気 の往 復流 ）
有望 で あ ろ うとい う，結論 が得 ら れたので 報 告 す
（3） 弁 機 構 （一 定 方向 の空 気 流 ）
る。 また ，昭和53 年 度 ，補 助発 電 機 と して ，“ 海
（4） 空 気 タ ービ ン（ タ ービ ン回転 数 ）
明” にサ ーボ ニアス タ ービ ンを搭 載 し たので ， そ
（5） 発電 機 （発電電 力）
の結 果 をも合 わせ報 告 す る。
海洋利用技術 部
Marine UtilizationTechnology Department.
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2.
弁機構を有する空気タービン
弁機構には，１枚弁 方式と図１にあげる２方式
の合 わせて３方式 がある。“海明”では昭和53年
度 に２枚弁方式，昭和54年度には４枚弁方式 を採
用した。
図 ２ ゛海明 ゛ の 空気 ター ビ ン
The airturbineon "KAIMEl"
図 １ 弁機 構 を有す る空気 タービ ン
Valve mechaism
波の上昇行程では実線，下降行程では点線のよ
また，こ れに取 り付 け る空 気 タ ービ ン ノズ ルは ，
うに空気流 が生じ，矢印の先方のプロペラが回転
図 ２ に示 す形状 のもので あ り，こ れは 波 力発電 航
する。プロペ ラは互いに逆ピッチであるため，往
路 標識 用ブ イに 用い ら れたも の を改 良 し たも ので ，
復空気流に対して常時同方向の回転が得られる。
衝 動十反動 型 タ ービ ンで あ る。 また， その効率 は
約60％で あ る。
3｡2.
設計値 ：
二重うずまき羽根方式
こ の方式 で は，図 ４ に示 すよ う に，二 重プロ ペ
ノズ ル外径; 1350 m
ラ方式 のプ ロペ ラの代 わり に， ねじ れの異 な るう
ノズ ル枚 数;50 枚
ず ま き羽根 を取付 けたも のであ る。
ノズ ル面積; 0.2238m2
こ れも また二 重プロ ペ ラ方式 と同 じ要領 で ， 常
ラン ナー外径; 1400 m
時 同 方向 に回転 す る。
ラ ン ナー枚数;60 枚
二 重プロ ペ ラ方式 と二 重 うず ま き羽根 方式 との
ラ ンナー面積; 0.3896m2
材 質; ア ルミ合金鋳物, AC 7
゛いず れ にも い え るこ とは ，上 と下 のプ ロペ ラ等の
AF (ヒ
ド ロ合金 ）
３
3｡1.
往復空気流用タービンの種類と原理
二重プロペ ラ方式
取 り付 け間隔 が重要で あ る。あ まり近づ け ると，
互い がブ レ ーキ作 用 をし ，遠 ざけ ると反 対 に出 力
が得 ら れなく なる。
3.3.
サ ーボニアスタービン方式
この方式のものは，図３に示すように，空気孔
サーボニアスタービンの構造は，図５に示すよ
をはさんで支軸の両端に，それぞれ逆ピ ッチのプ
うに， わん曲した２枚の羽根を鉛直方向 から２枚
ロペ ラが取付けられている。
の円板ではさみこんだ円筒形の回転体 からなる。
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図 ４ 二 重 う ず ま き羽 根 方 式 空 気 タ ー ビ ン
図３ 二重プロペラ方式タービン
Double centrifugalblade mechanism
Double propella
mechanism
図 ５ サ ー ボニ ア スタ ー ビ ン
Savonius rotormechanism
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こ の タ ービ ンは ，回転 軸 に対 して鉛 直 な空 気流
3.4.
ウェ ル ズ タ ービ ン方 式
で あ れば，どの よ う な方向 から の流 れで も ， 常に
ウェ ルズ タ ービ ン は ， 英 国 の北 ア イ ル ラ ンド の
同一
一方向 に回転 す る。 この と き，回転 に寄与 す る
ペ ルフ アス ト 市 ク イ ーン 大 学で ， ア ラ ン・ ア ーサ
羽根 と反対側 の 羽根 ，つ まり流 れ に対 して，背 を
・ ウェ ルズ が開 発 し た も ので あ り ，現 在， ベ ッド
向 けてい る羽根 のブ レ ーキ作 用 を最小 にす るよう
フ ォ ード 大 学t CEGB
な設 計 を行 う必 要 があ る。
ウ ッド 研 究 所 など の協 力で ， 研 究 が行 わ れて い る
こ の形 の タービ ンは，昭和53 年度， 消 波発電 船
“ 海 明” に補 助電 源発電 機 用 タ ービ ンと して，搭
(英 国 電 力 中央 局 ）
， マチ
風 力発 電 の ダリ ウ ス型 に似 た 原理 の タ ービ ンで あ
る。
載 し た始 めて の往 復流 用 タービ ンで あ る。
構 造 は図 ６ に示 す 。
寸 法及 び定格 は， つ ぎに示 す通 りで あ る。
（ａ） の形 状 の 水 平 対称 翼 を ，（b ）の よ う に， 回
円 板直 径; 440mm
転 軸 を 中 心 に肉 厚 の厚 い 方 を同 方 向 に向 け て ４ 枚
円筒 長 さ; 400mm
取 りつ け る。 さ ら に流 体 抵 抗 を小 さ く す る た め ，
羽根枚 数; ３枚
円 錐 体 を取 付 け ， 横 か らみ る と （ｃ） のよ うに な る。
発電 機; 0.8kW 円 誘 導子型 交流 発電 機
図６ ウェルズタービン方式
Wells turbinemechanism
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)
ピ ッ チ30 °と40 °の ２ 種類 の 試験 を 行 っ た 。
(ａ) で空 気流 ｖが水平 翼 に鉛 直 な方向 から流 れ
プ ロ ペ ラ間距 離; 55. 0mm
てく ると，矢 印で示 す圧 力分 布 を作 り出 す。こ の
圧 力は， 曲率 半径 の大 き な方 が小 さ な方 よ りも小
(2 ）
二 重 うず ま き方 式
さいので ， その圧 力差 によ っ て回転 力Ｆ が生 じ ，
直 径;90.0 ｍｍφ
回転 し始 め る。回転 を始 め ると，周速 ｕ が働 き，
羽 根 間 距離; 35. 0tnra
空 気流 の絶 対流 速ｖ と合 成 し た相 対流 速ｗ が翼 に
(3)サ ー ボ ニ ア ス方 式
作 用す る。 その結 果，図 中 の(d) に示 すよ う に，
直 径; 68. 0mmφ
揚 力Ｌ お よ び抗 力Ｄ が生 じ，揚 力と抗 力の 水平 成
筒 の長 さ:108.0mm
分 回転 力F1 とＦ２と な る。
この翼 が回転 お よ び増速 す ると きの必須 条 件 は
同寸 法 で ２ 枚 羽 根 と ３枚 羽 根 の 試験 を行 っ た 。
(4)ウェ ル ズ タ ービ ン方 式
翼 型; NACA 0021
Fi >F2 で あ る。
ロ ー タ ー直 径; 125 .0ram
φ
こ こで ，
肉 厚; 7.0mm
ｕ： 周速 ，ｖ: 絶 対流速 ，ｗ：相 対流速 ，ｓ:翼
の 表面積 ，α： 相対 流 速 迎角 ，Ｌ： 揚 力，
Ｄ： 抗 力 ，F1 : 回転 力(前向), F2 ： 回転 力
( 後向), Cl ：揚 力係 数, C D:抗 力係 数 ，
ρ：空 気 密 度 と す る。
以上 の よ う に，記 号 を 決 め る と, (d) で の揚 力，
抗 力，回転 力およ び推 進 力Ｆ は，下記 の よ う に な
る。
4｡3. 計測項目および出力算出式
トルク； 摩擦ブレーキとばね計
回転数; 磁気誘導型デジタル回転計
波 高; 容量式波高計
空気圧; ストレングージ式圧力計
空気流速; 空気圧 から換算( 空気室内) およ
び熱線流速計( 空気室外)
上記の器具を用いて計測を行い，出力Ｐ( Ｗ)
は，トルクT (kgm), 回転数N (rpm) とすると，
下式で算出できる。
Ｐ＝1.03TN( Ｗ)…………………………(7)
５
5｡1.
実験結果
二重プロペ ラ方式
ピ ッチ角30 °のプロ ペ ラの方 が，40°よ りも良 好
し た がっ て, (6)式 が最 大 に な るよ う な迎 角 の場
合 には ，効率 最大 と なる。
な成績 だっ たので ，図 ７ にピ ッチ 角30 °の グ ラ フ
を示 し た。 こ の形式 の タ ービ ンは， 試験 し た ター
ビ ンの中で ， 最も 軽量 で ，回転 数 が2,000 ∼5,000
4.
実 験方 法
ｒpm の 高速 で あっ た。 ま た， ト ルクが小 さく，空
4. 1. 波の 条件
気 出 力の変 動 に きわめ て敏感 に対応 し ，変 動 が一
海洋 科 学技術 セ ンタ ーの波 動水槽 に，％空 気室
番 激 し かっ た。
モ デ ルを固 定 し，正 弦 波 の波 を下 記の 条件で 起 し，
5｡2.
試験 を行 っ た。
波周 期; 1.5 ∼2.5s
(0.25s お きに ５点)
二 重 うず ま き羽 根方式
図８ にはその結 果を示した。
この方式は，フ ライホイール効果が顕著 に現 わ
波 長; 3.51 ∼9.75 cm
れ，変動する空気入力に対し，回転数の変動は少
波 高; 6.0∼20. 0cm
なく，波周期の変動 にも安定した回転数を保って
4｡2.
いた。
しかし，回転数が小 さいため，ト ルクが得られ
タービンの種類及び寸法
(1）
二重プロペラ方式
直径; 80. ｍ
0ｍφ
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ても，出力に換算すると低出力になってしまう。
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出力であった。
図９は３枚羽根の結果を示す。この方式は，プ
ロペ ラやうずまき翼根よりも，ト ルクおよび回転
数がすぐれており，出力も大きい。
図 ７ ピッチ角30 °の 二重プロ ペ ラ方式
空気 タービン
Double propellamecamsm
(pitch angle:30°)
図 ９ サ ーボニ ア ス タービ ン(弁 なし
SavGcuous rotor^chamsm
Cvawe less)
回転数は大略2,000∼4 ,000rpmで，高速回転で
ある。今回は，回転 に寄与する羽根の方に空気流
を集め る空気流誘導弁 なるものを付けてみた。そ
の結果が認められず，むしろ出力低下の原因とな
った（図10参照）。
前述のように，昭和53年度，
“海明” に0.8kW
の小形モデルを搭載したので，その発電状況を述
べる。
図 ８ 二重うずまき羽根方式空気タービン
Doｕble centrifugal blade mecnanism
5.3.
サ ーボニアスタービン方式
このタービンの試験は，２枚羽根と３枚羽根と
で行った。その結果，３枚羽根の方が全般的に高
67
1978年11月25日∼12月12日の発電量を他の一枚
弁方式の小形波力発電機定格60W および300W と
比較してみるため，蓄電池の充電電圧24V では，
つぎのようであった。
60 W; 399 Ah
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すれば，概略，現在の２倍の出力を得 ることがで
きるだろう。
5.4. ウェ ルズタービ ン方式
図11は風胴で行った一定空 気流に対するウェ ル
ズタービンの無負荷特性試験結 果である。
風
図10 サーボ＝ア スタービン 方式 空気 タービン
（弁 付 き）
速wind velocity (m/s)
川 高 速 回 転 領 域11191。 ｕｖりluliuri ala.
123 低 速 回 転領 域10 ｗ revolui･on area.
Savonius rotor mechanism( with valve;
図11 一定風向によるウェルズタービ ンの
高速、低速回転領域
300W; 847Ah
サ ーボニアス; 425Ah
このときの平均波高の日数は下記のとおりであ
High and low revolutionarea of Wells turbine
in the constant directionwind
こ の図 によ れば， タ ービ ン が絶 対風 速 Ｖに対 し
る。
て 高速 回転 と低速 回転 の２領 域 のあ るこ と が わか
平均 波 高( ｍ)
日 数( 日)
Ｏ ∼ １
７
１ ∼ ２
７
２ ∼ ３
３
３ ∼ ４
０
４ ∼ ５
１
る。こ れは 水平 翼 の特性 からく るも の と思 わ れ る。
こ の0.8kW サ ーボ ニ ア ス タ ービ ン小 形 モ デ ルの
出 力 が，予 想 を下 回 わっ た 原因 には， 安 全性 を考
慮 し，空 気孔 よ りも タ ービ ンを離 しす ぎた こ と が
あ げ ら れ る。 その ため ，往 復 空 気流 の上昇 行 程 の
エ ネ ルギ ーし か得 ら れず ，下降 行 程 の利 用で きず ，
L: 揚 力111t loｒｃｃ.Ｄ: 抗 力drag 10 「ｃｃ.Ｕ: 周 速 ｃｃr
ｃｕｍ ｖcloclly.
Ｖ:絶 体 周 速ab
匐1ｕl wind velocity. W: 相 対 周 速 「dative wind
ｖe10c11y.
Ｄ: 機 械 損 失machine loss
その結 果，発電 機 と タ ービ ンとのマ ッチ ン グ がと
れず ，出 力低 下 と なっ た。
その対 策 として ，空 気孔 の に ダクト を設 け， 夕
−ビ ン中 に入 れ，往 復 空 気流 が利用で きるよ うに
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図12 ウェルズタービンの迎え角と回転力
Wefls turbin incidence angle v$ revolution force
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図12 に示 すよ うに，翼 には相 対 風速 の迎 え角 α
結果を示す。高速回転および高ト ルクについての
の関数 で あ る揚 力の 水平 成分Ｌ ｓinα と 抗 力 の水
平 成分Ｄ cos a十Ｄ／
（Ｄ／： 機械 損 失 ） が働 く。 こ
モデルを抜いて今回の試験では，最高出力が得ら
れた方式であるｏ
の２成 分 がつ り合 う点 が，Ａ お よ び Ｂ 点 で あ る。
今後の課題としては，翼の形状，たとえば厚さ
Ａ が高速回転領 域 （αが小 ）
，Ｂ が低 速 回転領 域
などを変え，図12のＡおよびＢ点が迎え角ａの広
（αが大 ）の安定 点で あ る。
範囲 にわたるようになれば，外部からの助力なし
静止状 態 からこ れらの領 域へ の移行 は，低速回
転 の 移行 は自 力で行 わ れるが， 高速 回転 へ の移行
には ，外部 からモ ー タ ー等で あ る回転 数 まで 回転
させ，迎 え角 αを一 度 小 さく し なけ れば なら ない 。
し力ヽし一 度 高速 にす ると， タ ービ ンは 自動的 に安
定状 態 を維 持 し よ うとす る。
で高速回転 に移 れるようになるなどを，実験を通
じて見出すことなどがあげられる。
6. 結 論
図14 には各種タービ ンの往復空気流 に対する出
力と波周期（波高15cm）のグラフの比較である。
た と えば， 高速 回転 の 安定点 Ａ で 回転 し てい る
タ ービ ンにブ レ ーキ を かけた とす ると ，迎 え角 が
大 きく なり，揚 力も 大 きく な る。 し た がっ て，ブ
レ ーキ をふ り き る方向 へ と力 が働 く 。こ の作 用 は，
Ｌ sin aの カ ーブ の頂点 の迎 え角 の値 を越 え な い
限 り続 く。こ の性 質 は ，安定し た 回転 数 を得 るの
に有益 であ る。 また こ の タ ービ ンは回転 数 が きわ
め て大 きい ので ，発電 機 の小 形化 にも役 にたつ。
図13 は水槽 で 行 っ た往復 空 気流 によ る負荷 試験
図14 各種タービンの性能比較
Comparison of wave power of verious turbines
'wave hight; 15cm)
こ の 試験 に使 用 し た 空 気 室 のモ デ ルは ，“ 海 眤 ’
の％ で あ る か ら波 高 を10 倍 ，周 期 を √3 倍 にして
み れば ，“ 海 明” の 実 海 域で の 条 件 に な る。
実 海 域で 多い ６Ｓ以 上 の 周期 （ 小 形 モ デ ルで は
図13 ウ ェ ル ズタ ービ ン
Wells turbinemechanism
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２ Ｓ） にお い て も ウェ ルス タ ービ ン 方 式 ， サ ーボ
ニ ア ス方 式 の順 に大 き な出 力 が得 ら れ， 特 にウェ
JAMSTECTR
3
(I 979)
ルスタービ ンが弁 なし方式 として，有望であろう
と思 われる。なお，最良モデル設計では，さらに
詳細 なモデ ル実験 を行う必要があ る。
また，実海域の不規則波で，こ れら弁 なし方式
の運転状況は，“海明” 上でのサーボニアス方式
の結果を通じ，ある程度の成果を得た。が，さら
にウェ ルズタービ ン方式でも，小形モデ ルを海明
に搭載し，その特性 をみることが，必要と思われ
る。
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