大阪大学(阪大)は、これまで実用化が進まなかった「波力発電」のブレークスルーとなりうる新たな理論的基盤を学術発表。ジャイロ式波力発電が広帯域・高効率で発電できることを理論的に解明しており、従来方式の波力発電にはない、ジャイロ式波力発電のユニークな性能だと説明している。

  • ジャイロ式波力発電のイメージ図。浮体の内部にジャイロが搭載されていて、浮体が波の中で揺れているときにフライホイールを回転させると、ジャイロ効果によりジンバルが回転するので、そこから発電する。これがジャイロ式波力発電の仕組みだ (出所:阪大ニュースリリース)

    ジャイロ式波力発電のイメージ図。浮体の内部にジャイロが搭載されていて、浮体が波の中で揺れているときにフライホイールを回転させると、ジャイロ効果によりジンバルが回転するので、そこから発電する。これがジャイロ式波力発電の仕組みだ (出所:阪大ニュースリリース)

同大学の大学院工学研究科の飯田隆人准教授による研究成果で、英国科学誌「Journal of Fluid Mechanics」に日本時間2月17日に掲載済み。飯田准教授はこの成果を基に社会実装に向けた研究開発を進めており、将来的な実用化が期待されるとしている。

従来方式の浮体式波力発電は、浮体が波に同調して揺れる共振時にのみ、エネルギー回収効率が最大になることが知られている。しかし、さまざまな周波数の波が混在する海洋では総発電量が限られ、海上から陸上への送電コストに見合う採算性を確保することが難しい、という課題があった。

飯田准教授は今回、ジャイロ式波力発電に対して世界で初めて、波と浮体とジャイロの連成を考慮した、流体力学的な理論解析を世界で初めて実施。その結果、線形理論の範囲において、フライホイールの角速度や、発電機の減衰力、発電機の復元力といった制御パラメータを適切に設定することで、「どのような周波数の波に対しても常に最大のエネルギー回収効率を達成できる」ことを明らかにしたという。

これは、より多くの波エネルギーを電気に変換できる可能性が見いだされたことを意味する。

さらにこの研究では、理論解析に加えて、周波数領域・時間領域での数値シミュレーションも行い、線形理論の範囲内では理論解析と一致した結果が得られることを確認したという。

  • 波力発電の方式による比較。(左図)左から右へ、ポイント・アブソーバー式、回転振り子式、ジャイロ式波力発電の模式図を並べている。(右図)それぞれのエネルギー回収効率の比較。横軸は波数(周波数に相当)。ポイント・アブソーバー式や回転振り子式などの従来方式の波力発電は共振周波数でのみ最大のエネルギー回収効率0.5に到達する。一方で、ジャイロ式波力発電はいずれの周波数においても最大のエネルギー回収効率を達成できる。 (出所:阪大ニュースリリース)

    波力発電の方式による比較。(左図)左から右へ、ポイント・アブソーバー式、回転振り子式、ジャイロ式波力発電の模式図を並べている。(右図)それぞれのエネルギー回収効率の比較。横軸は波数(周波数に相当)。ポイント・アブソーバー式や回転振り子式などの従来方式の波力発電は共振周波数でのみ最大のエネルギー回収効率0.5に到達する。一方で、ジャイロ式波力発電はいずれの周波数においても最大のエネルギー回収効率を達成できる。 (出所:阪大ニュースリリース)

多様な方式が提案され、研究開発が行われてきた波力発電だが、海洋という遠隔かつ厳しい自然環境で発電し、送電コストを含めて採算性を確保できる方式はなかったとされる。

また、ジャイロ式波力発電はこれまで神戸大学や、イタリアのトリノ工科大学で積極的に開発が行われてきたが、波と浮体とジャイロの相互作用を考慮した流体力学的特性は十分に解明されておらず、最適な制御パラメータや理論的な発電性能は明らかになっていなかったとのこと。

今回の成果は、ジャイロ式波力発電は広い周波数帯にわたって高い発電効率を実現できる可能性を持つ、従来方式にはないユニークな性能を有することを理論的に示した点に意義があるとしている。