波力発電には、波で水面が上下する空気室を利用する形式があります。水が上がると空気が押し出され、水が下がると外から空気が入ります。その空気の動きをタービンへ伝えて発電します。海水がそのまま発電機の内部を流れる、と一つの矢印だけで説明しないことがポイントです。
海水の動きが空気へ伝わる
水面の上に空気を閉じ込める部屋を考えます。水面が上がると、空気の占める場所は狭くなります。外へ通じる口があれば空気はそこから押し出されます。反対に水面が下がると空気の場所が広がり、外気を取り込みます。水の動き、空気の動き、発電機の回転という段階を分けて図にすると、見慣れない装置でも容積の問題として読めます。
ただし、どんな羽根でも往復する空気を効率よく使えるわけではありません。風が反転することと、発電機の回転方向がどうなるかは、タービンの仕組みに依存します。問題に羽根の性質が書かれていなければ、回転方向まで勝手に断定しません。ここでは空気室と出入りの量を中心に扱います。
例題1 水面の移動と空気の体積
水平断面積が4m²の空気室で、水面が0.30m上がりました。空気の圧縮量や漏れを無視し、狭くなった分だけ空気が口から出る模型では、外へ出た空気は何m³ですか。続いて同じ高さまで下がると、入る空気は何m³ですか。
答え・解説： 4×0.30＝1.2m³が出ます。同じ高さへ戻る下降では、1.2m³が入ります。1往復の間に口を通った体積を向きに関係なく合計すれば2.4m³ですが、外へ出た量から入った量を引けば0です。「通過の合計」と「正味の流出」は異なる数です。
出入りが同じだから空気が動かなかった、と考えてはいけません。家のドアを一回出て一回入っても、移動がなくなるわけではないのと同じです。往復の動きを使う装置では、最初と最後の量が同じでも、途中でエネルギーが受け渡しされます。
例題2 波一回と発電量
波一回から装置へ1000Jのエネルギーが入り、そのうち40％が空気の動きへ、さらにその60％が電気へ変わるとします。1分間に5回の波が同じ条件で来たとき、電気は何Jですか。
答え・解説： 一回分は1000×0.4×0.6＝240Jです。5回分では1200Jになります。40％と60％を足して100％とするのは、二段階の割合を混同しています。二段目は元の1000Jではなく、一段目で得られた400Jをもとにしています。
平均の電力も求めるなら、1分を60秒に直し、1200÷60＝20Wです。1200Jと20Wは、同じ装置について違う量を表しています。Jは期間を通して得たエネルギー、Wは毎秒どれだけエネルギーが移るかです。波の数を掛けた後で、さらに同じ回数を電力へ掛けないように注意します。
波の高さだけで結論を出さない
海で観測した波高が2倍になったから発電量も必ず2倍、と図だけから判断することはできません。波の周期や装置の応答、損失なども関係するためです。出題資料に対応表があれば、その表の範囲で比較します。ここで使った1000Jや効率の値は、装置の実測値ではありません。
もう一つ気を付けたいのは、空気室の入口を閉じる条件です。空気の出口を閉じれば、押し出される体積をそのまま4×0.30とする模型は使えなくなります。空気が圧縮され、水面の動きも変わり得ます。「閉じる」という一語は、流れの行き先を変える条件です。断面積と高さを掛ける前に、その体積の空気が本当に外へ出られるかを確認しましょう。
空気が往復しても通過量は足せる
空気室の上に観測点を置き、外向きを正として記録したとします。上昇の半周期で正、下降の半周期で負の値が出るのは、空気の流れが反転した証拠です。正負を打ち消して求めるのは、室内から差し引きでどれだけ空気が減ったかです。羽根の場所をどれだけの空気が通ったかを数えるなら、両方向の大きさを足します。同じ測定値から二種類の合計ができるため、問題の「正味」「延べ」の言葉を読み落とさないことが重要です。
空気室の水面が一往復して元に戻っただけでは、発電量がゼロになるとはいえません。行きと帰りの運動からエネルギーを取り出す仕組みがあり、往復の前後で水面の位置が同じでも、途中で波から装置へエネルギーが渡ります。ただし、空気の通過体積だけでは発電量は求まりません。空気の圧力や装置の働きも必要で、例題では波から受け取ったエネルギーと各段階の割合を別に与えています。
波の高さが二倍なら、ここで計算したすべての数値を二倍にしてよいわけでもありません。断面積一定の空気室で水位変化だけが二倍なら、押し出す体積の模型計算は二倍になります。しかし実際の波から取り出せるエネルギーや運転範囲まで、その比例関係を広げることはできません。資料にない比例を増やさず、体積について与えた条件と変換効率について与えた条件を別々に使うのが、未知の発電方式を読むときの基本です。
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