JP4436684B2 - 効率及び耐久性を改善した波動エネルギ変換システム - Google Patents

Description

［発明の背景］
本発明は、水塊上の表面の波に存在する機械的エネルギを有用なエネルギに変換すること、特にそのような機能を実施する最近開発された装置の改良に関する。

共にCarrollによって１９９９年８月２１に出願された米国特許出願第０９／３７９４２１号及び２００１年２月２０日に出願された米国特許出願第０９／７６３２４７号であって、共に本出願の譲受人に譲渡されている同時係属中の米国特許出願（これらの出願の主題は参照により本明細書に援用される）には、細長く一般的に（必ずしもそうでなくてもよいが）中空の管状部材であって、好ましくはほぼ規則的に大きい表面波を受ける水塊（たとえば，海洋）の海面下に好ましくは完全に水没して垂直向き配置された中空の管状部材を有する波動エネルギ変換装置（ＷＥＣ）が開示されている。

作動中、通過表面波によって生じる垂直に細長い水没部材の上端部及び底端部間の圧力変化が、エネルギ変換トランスジューサを駆動するためのピストン（たとえば、部材そのものか、またはその部材内の中空の空間内に配置されたピストン）の相対移動を発生させる。

そのようなＷＥＣでの経験で、それらが汚染がなくコスト効率が高いエネルギ源の新しい誕生の基礎になり得ることが明らかになった。特に大きい水塊内でそのようなＷＥＣを使用することに伴う問題は、表面波の振幅及び形状が大きく変化することである。そのようなＷＥＣの使用における所望の目標は、広範囲の表面波状態にわたって効率的な作動を得ることができると共に、最悪の嵐の状態にもＷＥＣが耐えることができることである。これらの目標は、本発明に従って達成される。

［発明の概要］
本発明の好適な実施形態では、細長く中立的またはわずかな浮力を示す部材が、水塊の平均水位の下方の選択深さにほぼ直立向きに配置される。細長い部材は中空であり、閉鎖上端部及び開放底端部を有する。その部材は、中空部材内に配置されたフロートに、それに対して垂直方向に移動可能な関係に取り付けられている。部材は、機械的エネルギトランスジューサ、たとえば、油圧シリンダにも固定されて、それにより、通過表面波に応じた部材の垂直移動を有用なエネルギに変換することができる。

本発明のＷＥＣの主たる特徴は、装置を破損させたり、またはきわめて大きい機械的エネルギトランスジューサを必要とすることなく、それらが可動部材の運動の大きい振幅を生じる広範囲に異なる大きさの表面波に対応することができることである。この目的のため、ａ）可動部材の過大な垂直移動には、緩衝部材を用いたストローク終端緩衝によって対応し、ｂ）システム全体を水塊底面に重力係留し、それにより、可動部材の過大な上昇移動に応じて装置全体が水底から浮き上がることができるようにし、ｃ）ストローク減少リンク機構、たとえば、クランクまたはレバーによって可動部材を機械的エネルギトランスジューサに接続して、可動部材の移動を長くしながら、エネルギトランスジューサの可動部分、たとえば、油圧シリンダのピストンの移動をはるかに短くできるようにし、ｄ）過大な通過波によって発生する過大な圧力差を減少させるために圧力逃がし弁（たとえば、ばね式ドア）を設け、（ｅ）垂直に延在する部材をベース支持体に自在継手で取り付けて、水の円運動に応じて部材が傾動できるようにする。（１つの実施形態では、垂直に延在する部材を１つまたは複数のトランスジューサに接続して、垂直に延在する部材の傾動を有用なエネルギに変換できるようにする。）

悪い表面状態に備える本質的な保護は、装置の垂直水没位置によって行われる。さらなる保護は、装置を水底に向けて、または水底までさらに沈めるために装置に選択的にバラスト水を注入することによって行われる。選択的バラスト水注入機構はさらに、変化する状態、たとえば、海洋の成長によって装置に生じるシステム浮力の変化に応じて可動部材の浮力を変化させるのにも役立つ。

破損を引き起こす恐れがある表面状態からさらに隔離するために、さまざまな制御及びトランスジューサ機構などが、可動部材の底部の下方に、好ましくは水底上に上記重力アンカーを提供するベース部材上に配置された液密箱内に配置される。

［発明の好適な実施形態の説明］
本発明に従った装置の全体図が図１に示されている。装置の一定の詳細が、図２及び図３により明白に示されている。図１及び図２は、閉鎖上端部１２（図２）及び開放底端部１４を有する細長い中空管１０が示されている。使用の際、管１０は、風で生じる表面波を有する水塊、たとえば海洋内に直立向きに（後述するように）完全に水没する。

本発明の装置の作動原理は、波の峰及び谷の通過による圧力変化として表すことができる水エネルギレベルの変化が水面付近で最大であり、これらの圧力変化が水面からの深さに伴って指数関数的に減少するということである。このため、完全に水没している長い管の上部は比較的大きい圧力変化を受けるが、管の底部は通過表面波にほとんど影響されないで、ほぼ一定の圧力を受ける。そのような一定圧力は、管底部と平均水位との間の水の重量にほぼ等しい。管の上端部及び底端部間の圧力変化により、（上記の同時係属中の特許出願第０９／３７９，４２１号に開示されているように、開放端部を有する管で）波の峰が上端部を越える時、水が管の内部を流れ落ち、また、波の谷が管の上部にある時、水が管の内部を上向きに流れる。この加圧された水の流れにより、波動エネルギから機械力を取り出す可能性が生じる。閉鎖上端部を有する本明細書に示された管１０では、表面波が誘発した圧力変化により、管１０が垂直方向に振動する。この垂直振動がいかにして有用なエネルギに変換されるかを次に説明する。

前述したように、管１０は、ほぼ直立して、好ましくは完全に水没した向きに配置されている。（上記の同時係属中の特許出願第０９／７６３２４７号に示されている構造と同様に）本明細書に示されている好適な実施形態では、管１０が固定支持体に対して移動可能である。そのような支持体は、海底に取り付けられた剛直な構造体にすることができるが、後述するように、アンカーベース２０の重量にアンカーチェーン２１の重量を加えたものによって海底に係留されたアンカーベース２０に固定されたフロート１６であることが好ましい。

最も好都合には、管１０（図２）がフロート１６を包囲しており、管が垂直方向に細長いので、フロート１６も同様に細長い。

フロート１６は好ましくは、大きい浮力を示し、海底に固定的に取り付けられた固定構造体に対応するが、水平方向の水の動きに応じてフロートに多少の水平変位が生じる可能性がある点で異なる。フロートのそのような水平変位は通常低速で発生し、実質的にフロート１６の機能は、管１０用の固定位置にある支持体を提供することである。水塊の平均水位に対する管１０及びフロートの位置の選択は、上記特許出願に記載されている。

アンカーベース２０へのフロート１６の好適な固定は、既知の形式の自在継手２６によってアンカーベースに固定された鋼製の（船舶用塗料を塗布した）管状支柱２４によるものである。このため、支柱２４がアンカーベース２０にしっかり取り付けられていながら、支柱は垂直向きから９０度まで任意のコンパス方位に回動することができる。後述するように、そのように傾動できることは、システム及びそれからのパワー出力部の両方の耐久性を高める。図３に最もわかりやすく示されているアンカーベース２０は、鋼ビームから作製されて、ベースの両側で末端が１対の鋼製浮きになっている。図１に示された水没位置では、浮きに水が充填されて、ベース２０の重量を増加させている。浮きに空気を吹き込んで空気が満ちている時、浮きの浮力は、フロート１６の浮力と合わせて、図１に示されている装置全体を浮動させるのに十分になる。そして、装置を水平浮動向きで水上船で牽引して搬送し、選択海洋場所に配備することができる。そのような場所で、浮きに水を徐々に注入して、ベース２０を海底にゆっくり沈めることができ、装置は自動的に所望の垂直向きになる。

システムのさまざまな構成部品、たとえば、パワー変換器、センサなどはアンカーベース２０上に好都合に取り付けられ、したがって、波の作用をまったく受けないが、保守点検または交換などのために、たとえばダイバーによるか、または海面からのワイヤスリングによってアクセスすることができる。

アンカーベース２０はそれのアンカーチェーン２１と合わせて、通常の使用中に、すなわち、システムが安全に作動するように設計されている最大振幅までの表面波では（in connection with）、システムを所定位置にしっかり重力係留するのに十分な質量を有する。そのような最大振幅を超えて、一般的にシステムの可動部分に損傷を引き起こす可能性があるような巨大な力の波の場合、アンカーベースの質量は、別の方法で過大な垂直力を吸収するために海底から完全に浮き上がらせることができる程度に小さい。したがって、過大な高波状態では、アンカーベースは、海底から浮き上げられて再び海底に沈下する動作を繰り返し、システムが破損しない。また、ベースの移動中もフロート１６に対する管１０のストローク運動は継続することができ、それにより、他の点では（中程度の）危険な海面の嵐状態においても、発電が継続する。

上述したように、フロート１６は、管状支柱２４によってアンカーベース２０にしっかり固定されている。管１０は支柱２４にも取り付けられているが、フロート１６の上下に配置されて支柱２４を取り囲む支承部３４によって支柱に沿って摺動可能である。図２では、下側支承部３４が、管１０の内側にしっかり固定されたリング３８に半径方向スポーク３５によって連結された状態に示されている。図２では、管１０の上端部に位置する固定リング３８及び支承部３４が破断して示され、１つのスポーク３６だけが図示されている。作動中、管１０はフロート１６に対して支柱２４に沿って往復動する。

固定フロートに対する管の移動が、波動エネルギ（管を駆動する力）を有用なエネルギに変換するメカニズムである。本明細書では、管１０が、支柱２４にしっかり取り付けられた油圧シリンダ４６のピストン４４に（図３に示すようにリング３８を介して）固定的に接続されている。（往復動する管の運動エネルギを有用なエネルギに変換するための他の既知の機構、たとえば、発電機を使用することができる。）

本発明の１つの特徴は、管１０がストローク減少リンク機構によって油圧シリンダピストン４４に接続されていることである。これは、シリンダピストン４４のより短い移動範囲を必要とするだけでありながら、管の移動が比較的広い範囲で変化することができる典型的な海洋状態によりうまく対応する。これの１つの利点は、より短く、従って一般的により低価格の油圧シリンダを使用することができることである。

本明細書では、ストローク減少リンク機構はレバー５０（図３）を有し、その一端部５２ａが、管１０の底端部１４に位置するリング３８に回動式に留め付けられた１対のロッド５４（図１）に回動式に留め付けられている。レバー５０の別の端部５２ｂは、支柱２４にポスト５８でしっかり固定されたアクスル５６（図１）の端部に回動式に留め付けられている。油圧ピストン４４は、レバーの２端部５２ａ及び５２ｂ間の長さの中程でレバー５０に回動式に留め付けられており、したがって、ストロークの減少率は約１：２である。約１：２であるそのようなストローク減少率に対応して、レバー５０によって伝達される力の大きさが約２：１になる。これの利点については後述する。

上述したように、支柱２４は、自在継手によってアンカーベース２０に取り付けられており、通過表面波によって発生する水の円運動に応じて支柱が回動または傾動することができる。支柱２４（及びそれに取り付けられた機構）の前後方向の傾動内に存在する運動エネルギを捕捉するために、エネルギトランスジューサ、たとえば、垂直に配置された油圧シリンダ４６と同様な油圧シリンダ４６ａ（図４）が、シリンダの傾動に応じて往復動するように配置される。支柱の傾動はいずれの方向にも発生することができるので、シリンダ４６ａはその運動に対応するように取り付けられる。したがって、シリンダ４６ａはブラケット４６ｂ上にほぼ水平向きに取り付けられるが、ブラケット４６ｂは、アンカーベース２０に固定された垂直アクスル４６ｅを中心にして水平方向に回転するように取り付けられたブラケット４６ｄに取り付けられた水平アクスル４６ｃを中心にして垂直方向に回転するように取り付けられる。

油圧シリンダ４６ａのピストン４４ｂの端部４４ａを支柱２４の回動点付近に、すなわち、自在継手２６の少しだけ上方に取り付けることによって、ピストン４４ｂの比較的少ない軸方向移動だけで、支柱の比較的大きい傾斜に対応することができる。

支柱２４の周囲に円周方向に配置された幾つかのトランスジューサを使用することができる。

過大な振幅の波に応じてシステムが吸収する過大な運動エネルギを消散させるために、緩衝すなわちストロークバッファ機構も設けられる。エネルギ吸収バッファ機構は既知であり、さまざまなそのような機構、たとえば、コイルばねを使用することができる。本明細書では、図２に示されているように、ストロークバッファ機構は、支柱２４の上部分にしっかり固定された剛直なストライカバー６０、たとえば、金属バーを有する。管１０には、ストライカバー６０の上方及び下方にそれぞれ配置された２つの緩衝アセンブリ６２ａ及び６２ｂが、固定ストライカバー６０に対して管１０と共に移動するように取り付けられている。２つのアセンブリ６２ａ及び６２ｂは、管１０の内側にしっかり固定された剛直な筐体を形成する多数の相互連結ストラット部材を有する支持フレームアセンブリ６４内にしっかり取り付けられている。アセンブリ６２ａ及び６２ｂの緩衝すなわちストロークバッファ部材は、既知の応力−歪み特性を有して衝撃エネルギに対して既知の弾性抵抗を与える弾性材料からなる２対の矩形ブロック６８である。各対のブロックは、ストライカフレーム７２及び向き合わせて配置された支持フレーム７４間に取り付けられる。

作用を説明すると、上述したように、管１０は、通過波に応じて、固定位置にある支柱２４に対して上下に移動する。予想される振幅の最も一般的な波では、管１０の移動は、緩衝アセンブリ６２ａ及び６２ｂを固定ストライカバー６０に接触させるのに不十分であり、移動中の管１０の運動エネルギのすべてが、有用なエネルギを発生するための油圧シリンダ４６の往復運動に利用可能である。システムの安全作動範囲を超える増大振幅の通過波の場合、緩衝アセンブリ６２ａ及び６２ｂがストライカバー６０に接触する位置へ駆動され、それにより、フロートのさらなる移動の制動及び停止が行われる。制動プロセスで、緩衝アセンブリ６２ａ及び６２ｂの弾性ブロック６６が弾性的に降伏して、管１０の運動エネルギを吸収し、それにより、支柱２４に対する管の上昇または下降運動のいずれかを徐々に停止させる。

上述したように、他の緩衝手段を使用することができる。本明細書で使用するシステムの利点は、広範囲の寸法かつ既知の応力−歪み特性で市販され、同様なエネルギ吸収機能用に個別に開発されたバッファ部材、たとえば、弾性ブロック６６の使用に基づくことである。図２のフレーム７２及び７４として示すようなフレーム対の間に適当に組み合わされた弾性ブロック６６は市販されている。

アンカーベース２０は嵐の状態で移動すると予想されるが、それは一般的に所定位置に留まっていなければならない。この目的のため、海底にしっかり取り付けられているが、比較的長いチェーンによってベースに接続されている従来型アンカー６０によってベース２０が係留されていることが好ましい。長いチェーンは、システムがそれの係留場所から逃げることができないようにしながら、ベースの上記浮き上がり移動の自由を与える。ベース２０の重量を増すために、比較的重いチェーンが使用される。

管１０の上端部１２及びフロート１６の両方の内部に浮力タンクが配置されている。図２において、タンク８０が管１０の上部に（説明のために半分を切り落として）示され、また、直列型に並んだ個別タンク８２が、管１０の内側で支柱２４を取り囲むように示されている。浮力タンク８０及び８２の目的は、海面の嵐が極めて激しい時、浮力タンクに水を注入して、管及びフロートを水没させることである。管及びフロートを支持している支柱２４は自在継手によってスキッドベース２０に固定されているので、支柱を傾斜させてシステムの上端部を表面波の高エネルギ帯より十分に下方の安全な深さまで移動させることによって、そのような「水没」を行うことができる。

管１０の上端部１２の浮力タンク８２のさらなる目的は、海洋生物の成長（marine growth）によるシステムの質量の変化に応じて、システムの浮力を調節することである。たとえば、海洋生物の成長が管またはフロートの重量を増加させ、それによって浮力の損失及び支柱の傾動を生じる場合、タンクからバラスト水を抜くことができる。

上述し、また上記引用の特許出願により十分に記載されているように、通過表面波は、管１０の上端部及び底端部間に圧力変化を誘発する。そのような圧力変化は、管の閉鎖端部の両端で管内の水と周囲の水との間に現れ、そのような圧力変化に応じて、管１０が上下に駆動される。過大な高波の場合、圧力差は、システムを破損させるほど非常に大きい力で管１０を駆動する可能性がある。本発明に従ったさらなる安全特徴は、管１０の上端部１２に圧力逃がし手段を使用することである。最も簡単には、圧力逃がし手段は、管１０の上端部１２の上壁１２ａ内にばね式フラップ８４及び８６を有することができる（図５）。フラップ８４を比較的高い内部圧力に逆らって閉鎖位置にバイアスするために、また、フラップ８６を比較的高い外部圧力に逆らって閉鎖位置にバイアスするためにコイルばね８８が設けられている。管１０内の水と周囲の水との間の正または負のいずれかの圧力差が、管１０の閉鎖上端部の両端で所定レベルを超えると、ばねバイアスを掛けられているそれぞれのばね式フラップが押し開かれて圧力差を直ちに減少させ、したがって、そうでなければ管１０に加わる過大な加速力を直ちに減少させる。圧力逃がし手段、たとえば、ばねポペット弁などが既知である。

次に、システムの作用を要約する。

通常の作動中、すなわち、予想される水位及び波振幅の場合、システムは海底にほぼ固定の垂直向きに載って、管２０の閉鎖上端部１２が、その時に最も一般的な波からエネルギを収集するのに最適な平均水位下の所定深さにある。表面波が管１０を越えて通過する時、管がフロート１６に対して上下に移動し、それによって油圧シリンダ４６を往復動させて、その内部の作動油を加圧する。加圧された作動油は、（シリンダ内のピストンヘッドの上方及び下方に位置するシリンダの両端部から）圧力ホース７２によって既知のトランスジューサ７６、たとえば、発電機を駆動する油圧モータに送られる。（たとえば、水及び風から引き出される運動エネルギを変換する技術は既知であり、さまざまなそのようなエネルギ変換システムを使用することができることに留意されたい。）油圧シリンダに伝達される力の振幅を増大させるためにレバー５０機構を使用するさらなる利点は、より大きい油圧を発生できることである。たとえば、１０００〜２５００ｐｓｉの範囲内のそのような高圧は、油圧モータ、及び油圧モータによって駆動される発電機の作動効率を高めるのに有効である（と一般的に知られている）。

海洋環境内に永久的に設置しようとするシステムすべてが直面する重大な問題は、海の嵐に備えた保護及び耐久性である。本明細書では、波の振幅が大きくなるほど、波によって生じる管の上端部及び底端部間の水圧変化が（上述した表面波効果に従って）増加し、それにより、フロート１６に対する管１０のストローク長さが大きくなりやすい。最初に、管１０を増大力で駆動すると、管の過大なエネルギが上述のストロークバッファシステムによって吸収される。これにより、エネルギがバッファシステム内で失われるが、システムの破損が回避され、最も重要なことに、エネルギが依然としてシステムによって供給されている。

波の振幅がさらに増加し、管１０にさらに大きい力が加わると、上部バッファシステムを設けた管上端部１２の激しい衝撃がアンカーベース２０の重量に打ち勝って、それにより、アンカーベースを海底から浮き上がらせる（しかし、それはアンカー６０から解放されない）。アンカーベース２０の浮き上がりも、エネルギ吸収手段であり、それにより、システムがさらに保護される。各波に対して、ベース２０が最初に浮き上がり、次に押し下げられて海底８０に当たるが、何らかの破損が生じるほどに激しくないことに留意されたい。やはり、アンカーベースのそのような移動中にも、エネルギがシステムによって発生している。

さらに大きい波の場合、圧力逃がし弁が開放して、管１０を駆動する圧力差を減少させる。最終的に、波エネルギが非常に大きくなって、エネルギ消散手段ではもはやシステムを保護できなくなると、バラスト水が浮力タンクに取り込まれて、表面波の下方の十分な深さまで管を水没させる。

作動中、システム制御装置は、海面から十分に下方にあるアンカーベース２０上に安全に配置されている。スキッドベースの移動が上述したように発生する可能性はあるが、アンカーベースの上方及び下方の水がそれの動きを緩衝する傾向があり、過大な加速及び衝撃を部分的に減少させる。

上述したように、性能を最適化すると共にシステムを破損から保護するために、浮力タンクが使用される。反復動作には、パワー及び空気源の両方が必要である。

システムは、（作動油を長距離にわたって往復動させることを避けるために）好ましくは現場で発電し、一部の電力は、バラストタンクを作動させるためにアンカーベース上のバッテリに蓄電される。

図１に示されている（図２では省略されている）ように、管１０の上端部にマスト９０が取り付けられて、海面及びその波の上方に延出しており、それにより、（一般的にＷＥＣ海域内の）ＷＥＣの位置を目視及び電子的に決定することができる。また、ＷＥＣの状態を詳細に示す無線信号を放送することができ、また、システムの作動、たとえば、バラストタンク８０及び８２の注水及び吹き出しのために、無線信号を電線で水没中の制御システムに対して送受信することができる。マストは好ましくは空気管を有して、マストを通してバラストタンク用の保管タンク内へ空気を注入できるようにする。

水塊、たとえば、海洋内に配備された本発明に従った装置の、一部破断した側面図である。 図１に示された装置の上部分を一部破断して示す斜視図である。 図１に示された装置の下部分を一部破断して示す斜視図である。 図１に示されたような本発明の装置の下部分の変更形を示す側面図である。 図１に示されたような本発明の装置の上部分の変更形を示す概略図である。

Claims (2)

1. 水塊内で使用され、該水塊上の、所定の最大振幅までの一定範囲内の振幅の表面波からエネルギを捕捉する装置であって、通過波に応じて第２部材に対して、前記通過波の瞬時振幅の関数である長さを有する経路に沿って往復移動可能である第１部材と、
   該装置を前記水塊の底面に係留するためのベース部材と、
   を備えており、前記第２部材は、該ベース部材に固定的に取り付けられており、前記ベース部材は、前記所定振幅までの表面波の存在中、前記ベース部材を前記底面に接触させておくだけの十分な重量を有しながら、前記所定振幅を超える所定の第２振幅を有する表面波の通過中、前記ベース部材を前記底面から浮き上がらせることができる装置。
2. 前記ベース部材に接続されて、前記ベース部材の垂直移動を所定量に制限するアンカー手段を備えている請求項２に記載の装置。

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