JP2001503498A

JP2001503498A - 波浪エネルギ抽出

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Publication number: JP2001503498A
Application number: JP52194798A
Authority: JP
Inventors: デニス、トム
Original assignee: エネルギテックオーストラリアピーティーワイリミテッド
Priority date: 1996-11-14
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 2001-03-13
Anticipated expiration: 2017-11-10
Also published as: DE69735092D1; CN1237227A; DK0948716T3; CA2271021A1; ID21700A; US6622483B2; ES2256879T3; US20020066269A1; CN1105238C; EP0948716A1; CA2271021C; AUPO361396A0; JP4040103B2; US6360534B1; WO1998021473A1; NZ336000A; DE69735092T2; EP0948716A4; EP0948716B1

Abstract

(57)【要約】海洋に設置する放物線状または部分放物線状の集波装置は、壁部分（５）間に配置された空気圧縮室（１１）内に位置する焦点（９、１０）まで平行な外洋の波面を収斂し、これによって波増幅作用を提供する壁部分（５）を含む。振動波表面は、空気圧縮室（１１）内に振動空気柱を生成し、空気圧縮室の頂部にある排気口内に位置する自己整流（ｓｅｌｆ−ｒｅｃｔｉｆｙｉｎｇ）タービンを駆動する。このタービンは、空気柱の振動とは無関係にタービンが一方向に回転するように、横断面を軸に断面が対称な半径方向に向いた翼形ブレードを有する動翼を備えている。ブレードのピッチを変えるための様々なメカニズムについても開示する。

Description

【発明の詳細な説明】波浪エネルギ抽出技術分野本発明は主に、自然エネルギを動力化し、波浪からのエネルギを電力などの利用しやすいエネルギ形式に変換するためのシステムに関する。特に、本発明は、波の上下動を用いて、発電機に連結された風力タービンに多量の空気を送り込む波力エネルギ抽出システムおよびそのコンポーネントに関する。本発明の好ましい形態では、波は特別に構成された空気圧縮室に送られる。この空気圧縮室の排気口内には適宜動作する風力タービンが配置されている。この目的のために、本発明の様々な態様は、新規な集波装置と、この新規な集波装置と一緒に用いるのに特に適している空気圧縮室配置と、上記にて述べた周期的な往復空気流条件下で一方向に回転するよう動作する独立した新規な風力タービンとを含む。本願明細書では、組み合わせで完全なエネルギ変換システムを構成する本発明の様々な態様について説明するが、これらのコンポーネント、特にタービンのコンポーネントは各々、他の無関係な用途で使用するのにも適していることがあることを理解されたい。あるいは、本文書では詳細を説明しない新たな他のコンポーネント装置または既存の他のコンポーネント装置と組み合わせる場合には、各々同様のエネルギ変換システムに取り入れてもよい。発明の背景従来の燃焼可能な炭化水素燃料源の資源が限られていることや、このような燃料を使用することで生じる有害な廃棄物についての関心から、波、風、潮流、地熱、太陽熱などの環境を汚染せずに持続できるエネルギ源に対してかなりの研究調査がなされてきた。エネルギを風や太陽熱などの他のものから変換することについては大幅な技術進歩がみられているが、今日までに提案された風力発電システムの大多数は、物理的な実用性を欠くおよび／または経済的に実用的とはいえないものである。この点に鑑みて、多数の異なる種類の波力発電システムが提案されているが、その大半が波の動きに固有の垂直運動を用いた基本原理に基づいて、これに応じて発電システムのコンポーネント変位させている。しかしながら、今までに提案されたシステムにはいずれも制約がある。例えば、このようなシステムの１つでは振動する浮体を利用し、その運動を直接または間接的に電力に変換している。しかしながら、これらの浮体システムは通常、エネルギ変換効率が悪く、悪天候条件に耐えることができない。これは、このようなシステムが波のパターンが穏やかで予測可能な沿岸地域で使用するのに限られるか、あるいは嵐が来ると思われるときには適当なシェルターにてシステムを保護するということを意味する。他のシステムには、排水ポンプを介して波を運ぶか、あるいは大きなタンクまたはリザーバに貯水し、この貯水の静水圧を用いてタービン発電機を駆動するなどの概念に基づくものを含む。繰り返すが、関連して投資コストがかかるわりに全体のエネルギ変換効率は比較的低い。今までに提案されたシステムの他のタイプの選択肢のうち、もっとも将来性のあるものの１つが、本発明の基本となっているものでもあり、波の垂直移動を回転移動に変換して直接または間接的に発電機を駆動するものである。これらのシステムでは、海水の上下動を伝達して空気圧縮室内で動力化する。空気圧縮室は、出口側に排気ダクトまたはベンチュリを有し、この中に、波の運動によって発生する周期的な振動空気流下で一方向に回転するよう動作可能な種類の風力タービンが配置されている。繰り返すが、このような後者の波浪駆動式空気タービンシステムの主な欠点は、全体として達成可能なエネルギ効率に限りがあるという点である。これは主に、第１に波浪エネルギを集めて波浪の最大変位振幅にするための手段が制約され、第２にこのタービンの設計上やむを得ない動作効率によるものである。第１の場合には、波の垂直方向の変位または振幅が大きくなるように、従来技術の集波装置の大半が、波面の平坦な跳ね返りおよび／または狭い開口を介しての波面の移動に頼っている。他のものとしては、海床の形状を変化させ、波の伝搬を制御しながら遮断し、これによって予め定められた位置で波の振幅を最大にする様々な手段が挙げられる。ここでも、このようなタイプのシステムは、今までのところ一定レベルの設備投資のわりに達成可能な波浪の最大振幅の点で限りがある。第２のケースでは、従来技術のタービンの大半は、一方向のみの流体流に応答して一定速度で回転するように設計されており、それ自体が上述したような種類の波力発電の用途で発生するような往復流体流条件に応答して連続動作を行うことができないものである。しかしながら、このような往復流条件に合わせて多数の特別に構成された一方向タービンが設計されており、最も一般に用いられている装置は「ウェルズ」タービンとして知られているものに基づいている。当初のウェルズタービンは、翼形断面が翼弦線を中心に略対称の半径方向に延在するブレードを有し、これらのブレードが動翼の軸に垂直で浮き上がりゼロで翼面と固定されるモノプレーン（ｍｏｎｏｐｌａｎｅ）軸流タイプの構造物であった。しかしながら、これらの初期のタービンは、失速の問題があり、これによって波浪エネルギの動力化プラントが停止してしまうことが知られていた。この失速は、このようなタービンでは予測空気流レベル前後に設計しておく必要があるが、タービンの空気室に流入する波を全ての場合について制御することは不可能であるという事実がゆえに起こるものである。したがって、大きな波が空気室に入り込むと、そのモーメントによってかなり高速の空気がタービンのブレードを通過する。ブレードの形状によってブレードの回転速度を相応に高め、このように増大した空気流に対応することはできないため、ブレードに対する空気流の迎え角が大きくなって失速角を上回り、タービンが停止してしまう。後者の従来技術の装置の中には、モノプレーン（ｍｏｎｏｐｌａｎｅ）ウェルズタービン２台を直列で効率よく設置し、バイプレーン（ｂｉ−ｐｌａｎｅ）タービンを得ることによって、上記の問題を克服しようと試みたものがある。このように一部変更されたシステムは失速の問題を解決はするが、全体としての効率が落ちることと引き替えである。これは、第１の組のブレードが相応に失速して停止できるようにすることで第１の組のブレードを犠牲にし、第２の組のブレードでペースと効率を落として動作を継続しているためである。これは、第１のタービンによって空気流を失速させて遮断することで、全体としての空気流速が減少して穏やかになるためである。これらの従来技術のタービンはまた、上述したような種類の往復駆動空気流が周期的に供給される条件で滑らかな連続回転を行うために、通常は低回転高質量構成に頼っている。したがって、この種の用途に適した従来技術のタービンのほとんどは、設計上極めて複雑であることが多く、かつ通常は動作条件および／または効率面で厳しい制約があることが理解できよう。本発明の目的は、上述した従来技術の欠点のうち１つまたは複数を克服または少なくとも低減するか、あるいは少なくともこれらに対する有用な他の選択肢となる、波力エネルギ抽出システムおよび／またはその１つまたは複数のコンポーネントを提供することにある。発明の開示本発明の第１の態様によれば、湾の入り江から、平面で、略部分放物線状の曲率を有する２つの収斂側壁を内周にて規定するよう構成された略直立する壁によって境界が定められる入海を含み、壁の延長線上にある前記放物線の各々の対称軸が平行であり、側壁がその収斂端に隣接して接合され、共通の頂部を形成し、前記壁が前記対称軸に略平行な方向に伝搬する進行波を受け入れる向きで配置され、波が壁から跳ね返る際に、この波が前記放物線の各々の焦点の位置または焦点に隣接する位置にある頂部付近のエネルギ動力化領域に収斂することによって、波の垂直方向の変位をその領域で増幅する平面波集波増幅構造物が得られる。望ましくは、部分放物線曲率の収斂側壁が、空気圧縮室の後壁部分も規定する端壁部分によって共通の頂部で接合され、圧縮室の前部分が、後壁部分の前に延在する前壁断面によって規定され、エネルギ動力化領域の周囲に予め定められたエリアの境界を規定し、波を形成している水が前壁の下を流動して圧縮室内を上るように前壁断面が予測水位よりも一部のみが低い位置に延在している。好ましい形態では、壁は、平面断面で、単一の放物線またはこれに極めて近似した形状の端部分を内周にて規定するように構成され、波が壁から跳ね返る際に、この波が上記の放物線の単一の焦点位置またはこれに隣接した位置の領域で収斂する。構成コストを低く抑えられる場合もある他の形態では、構造物に空気圧縮室を備え、後壁部分を一部既存の海岸線で形成し、圧縮室の壁から延在する、部分放物線状の曲率を有する考え得る比較的短い２つの側壁によって簡単に湾を規定してもよい。通常、放物線的に曲がった側壁の長さについての折衷はいずれも、エネルギ動力化領域の境界を規定する空気圧縮室の平面エリアを延在させることによって補償される。好ましくは、放物線の対称軸に対して略垂直な方向に沿って一定深度の略平坦な海床によって、湾の底で湾の境界がさらに定められる。海床の深度および（傾斜がある場合には）傾斜は、現地の地層、波の状態ならびに増幅された波をエネルギ抽出用に動力化する方法に応じて変えることができる。一般的な目的は、理想的には動力化領域に入る前に砕波せずに波倍率を最大にできるように現地の条件を最適化することである。例えば、好ましい一形態では、動力化領域に向かって海床を上方向に傾斜させ、その位置で水が上方向に集波するのを助ける形をとってもよい。好ましくは、放物線の焦点距離が進入波長の１／７以下であり、多くのケースではこれによって焦点距離が５〜１５メートルになる。本発明の第２の態様によれば、ほぼ軸方向の往復流体流が通過する場合に一方向に回転するよう動作可能であり、動翼を含むタービンであって、この動翼が、中央ハブと、半径方向にまっすぐ延在し、各々前記ハブに連結された断面翼形の複数のブレードと、を備え、前記ブレードの各々の断面が、最大反り高を規定している線を中心にほぼ対称であり、半径方向の端から端までがほぼ一定であって、これによって、ブレードおよびハブに対するブレードの向きのほぼ対称な形状が、ブレードを通過する軸方向の往復流体流に応答して動翼が一方向に回転しやすくなるタービンが得られる。好ましくは、各ブレードが、前記翼形断面の翼弦面とハブの軸との間の最大内角が０°〜９０°、さらに好ましくは０°〜例えば４５°になるようにハブに連結されている。望ましくは、上述した最大内角が調節可能であり、さらに、好ましくは往復流体流に同期して反転可能であり、これによって両方向での流体流に対する迎え角を最適化する。ブレードピッチの反転については、例えば、各ブレードが装着された中央のスピゴットを回転させるように配置されたモータ駆動式のベベルギアアセンブリを使用するなど、様々な方法で達成できることを理解されたい。もう１つの変形例では、各ブレードが、動翼の軸に沿って往復移動可能である、螺旋方向にキー溝が施された作動軸と協動するオフセット動作側壁を有するスピゴットに取り付けられている。特定の条件の組み合わせに適した好ましい一形態では、最大内角は−３０°〜＋３０°の間であり、往復流体流に応答して反転可能である。作用流体が空気などの気体である本願明細書に記載したような種類の用途に特に適したもう１つの好ましい形態では、ブレードピッチの反転は気体流の反転点を検出するように配置された圧力変換器に応答する手段による。望ましくは、中央ハブを中心に等間隔でブレードが配置されている。特定の用途に適したいくつかの好ましい形態では、動翼が４枚から１６枚のブレードを含む。弦節比は、広い範囲で変更可能であり、０．２〜０．８の範囲に含まれることが多い。好ましいブレード翼弦比は１８％であり、好ましい翼形は標準的なＮＡＣＡ６５−４１８翼形の前半分がマージされた形を含む。本発明の第３の態様によれば、予め定められた平面位置において、周期的な垂直ピークを大きくして進入波の波底変位とする集波手段と、ほぼ水中に沈んだ吸水口を有し、前記予め定められた平面位置の場所またはこれにすぐ隣接した場所に配置されて、多量の空気がその上で変位することで対応する周期的な往復空気流が生成されるように、周期的に振動する波を受け入れる空気圧縮室と、を含み、前記圧縮空気室が、前記往復空気流に応答して一方向に回転するよう動作する空気駆動式タービンが内部に設けられた排気口も有する波浪エネルギ抽出用システムが得られる。望ましくは、タービンは本発明の第２の態様に従って構成されたものである。好ましくは、集波手段が、本発明の第１の態様による略放物線状の平面波集波増幅構造物を備え、放物線の頂点が予め定められた平面位置内にくる。望ましくは、空気圧縮室が、空気流を加速するように吸水口から排気口に向かって収斂するように構成されている。好ましい一形態では、空気圧縮室が、その排気口に隣接したベンチュリを含み、空気駆動式タービンがベンチュリの首部内に位置する。他の好ましい形態では、タービンに関連した空気圧縮室排気口および／または囲い板および／または静翼が、タービンに出入りする空気流の方向を最適化するための案内羽根を含んでもよい。図面の簡単な説明以下、図面を参照して、一例としての本発明の好ましい実施例について説明する。図１は、入り江からの側壁が、平行かつ互いに離隔した対称軸を有する２つの部分放物線状部分によって形成された、本発明の第１の態様による第１の実施例の集波増幅構造物の概略平面図である。図２は、１つの放物線の端部によって壁がほぼ規定され、動力化領域で達成可能な波の谷の最大変位を示す本発明の第１の態様による第２の実施例の平面波集波増幅構造物のコンピュータ生成による概略斜視図である。図３は、エネルギ動力化領域で得られる波頂の最大変位を示す、図２に示す構造物のコンピュータ生成による概略斜視図である。図４は、図２および図３に示すような、第２の実施例の放物線状平面波集波装置の縮小グラフ図である。図５は、第３の実施例の平面波部分放物線状集波増幅構造物の概略断面図である。図６は、ブレードが内角０°で中央ハブの軸に固定されている、本発明の第２の態様による第１の実施例のタービン動翼の概略斜視図である。図７は、ブレードピッチが調節可能であり、タービン内を通る往復空気流に応答してピッチを反転させることができる、本発明の第２の態様による第２の実施例のタービン動翼の概略斜視図である。図８は、ブレード１枚とブレードのハブへの連結部分とを示す図７のタービン動翼の部分図である。図９は、図６、図７および図８に示すタービン動翼のブレード１枚の概略横断面図である。図１０は、第１の実施例のタービンのブレードピッチ変更反転メカニズムを示す概略断面図である。図１１は、図１０に示すメカニズムの部分平面図である。図１２は、第２の実施例のタービンのブレードピッチ変更反転メカニズムを示す概略図である。図１３は、図１２に示すメカニズムの部分平面図である。図１４は、本発明の第３の態様による第１の実施例の波浪エネルギ抽出装置の概略断面図である。発明の好ましい実施例まず図１を参照すると、全体を参照符号１で示す、本発明の第１の態様による第１の実施例の集波構造物が示されている。構造物１は略直立する防潮壁３によって形成された入海２を含んでいる。壁３は、その内周部分４において凹形に湾曲し、略部分放物線状の曲率を有する２つの収斂側壁５を平面で規定している。側壁の延長線上にある放物線のそれぞれの対称軸６および７は互いに平行である。側壁５は、その収斂端に隣接して接合され、共通の頂部８を形成している。壁３は、対称軸６および７に略平行な方向に伝搬する進行波を受け入れる向きで配置されている。図５は、周囲の海岸線の一部として、あるいは湾に向かって外方向に延在する長い放物線状の側壁を有する壁を湾に構築するには費用がかかりすぎる場合や壁の構築が不可能である場合に使用できる、図１に示す構造物のもう１つの変形例を示している。この場合、共通の頂部８に直接つながる比較的短い部分からなる放物線状側壁５を構成し、これによって断面図において１１で示す空気圧縮室の壁部分も同時に形成して折衷案とする。図２、図３および図４は、焦点９が１ヶ所である単一の放物線またはこれに極めて近似した形状の端部分として構造物が形成された、好ましい形態を示している。外洋の波は膨大な量のエネルギを持っているが、通常は平面波であるため、各波頭のエネルギは波頭に沿って散逸してしまう。本発明の第１の態様による放物線状または部分放物線状の集波増幅構造物を設ける目的は、このエネルギを中央の領域１ヶ所に移動すなわち収斂させ、そこからエネルギを動力化可能にすることである。使用時、平面波が放物線状または部分放物線状の壁３に向かって対称軸６および７のうち一方（または両方）に略平行な方向で前進するように、集波構造物は上記のような向きで配置されている。壁３の放物線状部分５に衝突すると、波は跳ね返ってそれぞれの放物線の対応する焦点９または９と１０に向かって収斂する。図２、図３および図４の好ましい第２の実施例で示すように壁が単一の放物線の一部を規定する場合には、波は円形波または極波として単一の焦点９に向かって収斂する。この地点で波の変位振幅かなり大きくなり、この地点が、上記の海水変位を他の一層利用しやすいエネルギ形態に変換するための好適な手段を設置する完璧な平面位置になる。これは、図５では空気圧縮室１１の位置に対応する、全体を１２で示すエネルギ動力化領域として規定されている。この領域の平面での大きさは特に決まっているわけではなく、このエリアで達成するエネルギ散逸に一部依存する形で定められることは明らかである。上述した略放物線状または部分放物線状の集波増幅構造物を用いてエネルギを最大限に回収するためには、満足する必要のある条件がいくつかあることに注意されたい。第１に、波頂が各放物線の対称軸６および７に対して平行に近い状態となる理想的な形で伝搬されなければならない。わずかな変動であれば若干エネルギが損失するだけで許容可能であると思われるが、１本以上の対称軸と波の伝搬方向との間の角度が大きくなるにつれてエネルギ集中部分に多くの散逸が存在し、システムの効率が悪くなる。沿岸では次第に水深が浅くなり、波の入射角が大きく変わることはないため、集波構造物を正確な向きに設置することが大きな関心事になることは通常はない。平面波の部分が放物線ドメインに流入した後は、波の方向を乱さないようにするために、海底が放物線の軸を通って平坦または平面となり、かつ十分な深さにくるのが理想的である。あるいは、これ以外の場合、非線形効果によって波頂が成長する際に動力化領域に入る前に砕波しないように海底を構成する。予備研究によって、特定の一用途では大半が入り江での水深約６メートルで十分であるが、寄せ波条件ではこれが最大であるということが示された。極めて大きな三角波あるいは不規則な進入波であるためにエネルギが最初に分散してしまう場合には、焦点９または９と１０からもエネルギが多少分散する。これによるエネルギ損失または上述した条件のうちいずれかによるエネルギ損失は、放物線ドメイン内で大きく変化するだけの時間または空間的な余裕を波に与えないように焦点距離を適宜選択することによって、低減することが可能である。繰り返すが、様々な用途で焦点距離を波長の約１／７にすると適していることが予備研究によって示された。波長は一般に３５〜１０５メートルであるため、焦点距離に換算すると約５〜１５メートルになる。この種の集波装置の持つ可能性は大きく、放物線の開幅（ｏｐｅｎｉｎｇｗｉｄｔｈ）に対応する長さの非集約波に存在するよりも２４％多くのエネルギが放物線ドメインに流れ込むことがコンピュータによるシミュレーションから明らかである。これは波が約３倍になった計算になる。データに対する試験では、倍率２．５であれば容易に得られることが分かった。しかしながら、事実上の損失があるため最大理論エネルギレベルにはならない。例えば、単一の放物線状構造物を実際に動作させる場合、外洋の側で失われるセクタがあるため、焦点で収斂する円形波は事実完全な円にはならない。この失われるセクタのエッジでは、放物線のドメインへのエネルギ回折がいくらかある。また、放物線状の湾に隣接して位置する沿岸構造物および海床の凹凸からの干渉波反射が原因の損失もある。以下、本発明の第２および第３の態様ならびにこれに関連した図６乃至図１４を参照して、上記のエネルギ抽出および変換を達成するのに好ましい手段について説明する。図６を参照すると、ほぼ軸方向の往復流体流が通過する場合に一方向に回転するよう動作可能な、本発明の第２の態様による第１の実施例のタービンの動翼２０が示されている。動翼２０は軸２２を有する中央ハブ２１を含む。この軸から延在しているのは、半径方向にまっすぐ延在する断面翼形の複数のブレード２３である。望ましくは、ブレード２３は、一方の側に略平坦な表面２４があり、対向する側に略凸形の表面２５がある、図９に示すような一般的な輪郭の翼形断面を有する。翼弦線（ブレードの長手方向に延在する翼弦面とも呼ばれるものも示している）全体を２６で示す。図示のように、各ブレードの断面も、ブレード断面の最大反り高を規定している線２７を中心にほぼ対称であり、半径方向の端から端までがほぼ一定である。図６に示す第１の実施例では、各ブレードの翼弦面が、内角０°で中央ハブの軸２２と一列すなわち平行に配置されている。このように、タービンに入る空気流は、どちらの軸方向からきても動翼ブレード２３に対して同一の人射角になり、上記の通り動翼の回転は同じになる。この点に鑑みて、流体が通過する際に略平坦なブレード表面２４に加わる正味の力は、ベルヌーイ効果と、ブレードの平坦な側と凸形の側との間で得られる圧力差とがゆえに、いずれの方向からの流体流であっても同じ方向になり、大きさは正反対の２つの方向での相対空気流に左右される。このような固定ブレードの構成は、低速での様々な用途において満足のいくものであるが、動翼の回転速度が増すにつれて、駆動流の迎え角が最適なものではなくなり、タービンの動作効率に影響がおよぶ。この問題に対処するために、本発明の第２の可変ピッチの実施例を図７および図８に示すように提案する。この実施例では、各ブレード２３を中央のスピゴット（ｃｅｎｔｒａｌｓｐｉｇｏｔ）２８などによって中央ハブ２１に連結する。このスピゴットは、適当な中間メカニズムによってブレードの回転を容易にし、ピッチを変更する。ブレードピッチを調節するためのメカニズムは、動翼を通る往復流体流に同期してピッチが自動的に反転し、迎え角が両方の方向で最適化されるように構成されていると好ましいことに注意されたい。明らかに、一方向でのみ最適化されるように動翼を固定する場合には、空気流が反転すると、大半の場合は図４に示す固定平行ブレード構成で得られる可能性のある一切の利益を相殺する以上に悪影響が及ぶ。図１０乃至図１３に、一例として２つの好適なメカニズムを示す。この点に鑑みて、図１０および図１１は、各ブレード２３がスリーブ２９によって中央に位置するスピゴット２８に固定され、このスピゴットが動翼のハブ２１に固定連結された単純な配置を示している。同じくハブ２１に固定連結されているのは、軸方向に懸架されたピニオンギア３１を駆動する適当なモータ３０である。ピニオンは、中央ハブ２１を中心に自由に回転可能な関連の環状のベベルギア３３を有する平歯車３２と係合する。ブレード２３の中央のスピゴット２８のスリーブ２９の端部には、このスリーブよりも小さく、環状のベベルギア３３と係合するベベルギア３４が設けられている。各ブレードについて同様の配置がなされる。このように、、タービンが高速で回転している間であっても、上述したギアメカニズムによって動翼の軸に対するブレードの傾斜を変化させることができる。図１２および１３は、ブレード２３の回転が対角線方向にキー溝が施された作動カラー（ａｃｔｕａｔｉｎｇｃｏｌｌａｒ）３５の軸方向の往復運動によって達成される他の配置を示している。このカラーのキー溝は、オフセット作動側壁３７に取り付けられた係合ピン３６と係合し、これによって中央のスピゴット２８を軸にしてブレードを回転させる。この種のタービンで提案される用途ごとに特定の条件およびエネルギ内容について評価する必要のあるパラメータが多数あることは、タービン設計の当業者であれば理解できよう。これらのパラメータとしては、ブレードのアスペクト比（翼弦比）、ブレードの翼弦長、タービンの弦節比（効率的にはブレード長対ハブ直径比）、ブレード数、ブレードが空気流の方を向くことができる最大角（すなわちブレードピッチ）などが挙げられる。１つの特定の用途で適しているものとして提案された一例では、ブレード翼弦比１８％、翼弦長０．４インチ、ハブ直径１．２メートル、ブレード長０．４５インチ、合計１２枚のブレードで、ブレードの翼弦面とハブ軸との間の最大内角が３０°である。好ましい翼形は、標準的なＮＡＣＡ６５−４１８翼形の前半分の部分がマージされた形を含む。次に図１４に移ると、本発明の第３の態様による第１の実施例の波浪エネルギ抽出用システム４０の概略断面図が示されている。システム４０は全体を４１で示す集波手段を有する。この集波手段は、中心を線４２で示す予め定められた平面位置すなわち動力化領域１２において、周期的な垂直ピークを大きくして進入波の波底変位とするために用いられる。動力化領域の境界を定める平面位置４２の場所またはこれにすぐ隣接した場所に配置されているのは、空気圧縮室４３である。圧縮室は、ほぼ水中に沈んだ吸水口４４を有し、周期的な振動波が流入すると多量の空気４５が変位して対応する往復空気流を生成するような大きさである。望ましくは、圧縮室は全体を４７で示す空気駆動式タービンが内部または隣に設けられた排気口４６に向かって収斂している。使用時、位置４２に隣接して周期的な垂直ピークを大きくして波の波底変位にすることができるように進入波を集波する。このように、往復体または水柱が吸水口４４を介して空気圧縮室４３内で振動し、これによってその上で空気４５がピストンのように作用する。例えば、寄せ波の時には、空気４５は排気口４６の方に向かって変位し、圧縮室の壁およびダクトに近づき、変位した空気流を加速する。このように加速された空気流を強制的に空気駆動式のタービンに送り、その回転を発電所などで利用することができる。引き波の時には、空気は下方向に引っ張られて圧縮室に入り、往復空気流に応答して一方向に動作するように構成されたタービンを再度回転させる。好ましい形態では、このシステムは本発明の第１の態様の放物線状の集波装置と、本発明の第２の態様による一方向タービンとを利用している。このように、これらのメカニズム各々が持つ非常に優れた効率を兼ね合わせることで、極めて実用性の高い波エネルギ抽出プロセスが得られる。しかしながら、先に示したように、このシステムの各コンポーネント、特に集波装置およびタービンは、各々他の用途でも利用でき、あるいは本願明細書では詳細に説明していない他の装置との組み合わせで利用することもできるのは明らかであろう。これは、特に、様々な作用流体と一緒に使用される多数の互いに無関係な用途を有するタービンに関連している。したがって、簡単にまとめると、具体的な実施例を参照して本発明の各態様を説明したが、これらの様々な態様および特にこれらの態様を取り入れた組み合わせによるシステムは各々、様々な別の形態で実施することもでき、いずれも以下に権利請求する本発明の各態様の範囲に包含されることは明らかであろう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年８月２７日（１９９８．８．２７）【補正内容】請求の範囲（補正）１．ほぼ軸方向の往復流体流が通過する場合に一方向に回転するよう動作可能であり、動翼を含むタービンであって、前記動翼が、中央ハブと、半径方向にまっすぐ延在し、各々前記ハブに連結された断面翼形の複数のブレードと、を備え、前記ブレードの各々の断面が、最大反り高を規定している線を中心にほぼ対称であり、半径方向の端から端までがほぼ一定であって、これによって、ブレードおよびハブに対するブレードの向きのほぼ対称な形状が、ブレードを通過する軸方向の往復流体流に応答して動翼が一方向に回転しやすくなるタービン。２．各ブレードが、前記翼形断面の翼弦面とハブの軸との間の最大内角が０° 〜９０°になるようにハブに連結されている請求項１に記載のタービン。３．ブレードのピッチを可変調節可能である請求項１または２に記載のタービン。４．ブレードを通過する往復流体流に同期してブレードのピッチを反転可能である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のタービン。５．最大ピッチすなわち内角が−３０°〜＋３０°の間である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のタービン。６．作用流体が気体であり、ブレードピッチの反転が気体流の反転点を検出するように配置された圧力変換器に応答する手段によって達成される請求項４または５に記載のタービン。７．ハブと一緒に取り付けられ、ブレードをハブに取り付けている中央のスピゴットを中心に各ブレードを回転させるように配置された、適宜駆動されるベベルギアアセンブリを備えるブレードピッチ変更または反転メカニズムを含む請求項３乃至６のいずれか１項に記載のタービン。８．ブレードピッチ変更または反転メカニズムを含み、各ブレードが、動翼の軸に沿って往復移動可能である、対角線方向にキー溝が施された作動軸と協動するオフセット動作側壁を有するスピゴットに取り付けられ、これによってスピゴットを中心にブレードを回転させる請求項３乃至６のいずれか１項に記載のタービン。９．動翼が４枚から１６枚のブレードを含む請求項１乃至８のいずれか１項に記載のタービン。１０．タービンの弦節比が０．２〜０．８の範囲である請求項１乃至９のいずれか１項に記載のタービン。１１．ブレード翼弦比が１８％である請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のタービン。１２．翼形が、標準的なＮＡＣＡ６５−４１８翼形の前半分の部分がマージされた形を含む請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のタービン。１３．予め定められた平面位置において、周期的な垂直ピークを大きくして進入波の波底変位とする集波手段と、ほぼ水中に沈んだ吸水口を有し、前記予め定められた平面位置の場所またはこれにすぐ隣接した場所に配置されて、多量の空気がその上で変位することで対応する周期的な往復空気流が生成されるように、周期的に振動する波を受け入れる空気圧縮室と、を含み、前記圧縮空気室が、前記往復空気流に応答して一方向に回転するよう動作する空気駆動式タービンが内部に設けられた排気口も有し、前記タービンが請求項１２乃至２２のいずれか１項に従って構成されたものである波浪エネルギ抽出用システム。１４．空気圧縮室が、空気流を加速するように吸水口から排気口に向かって収斂するように構成されている請求項１３に記載のエネルギ抽出用システム。１５．空気圧縮室が、その排気口に隣接したベンチュリを含み、空気駆動式タービンがベンチュリの首部内に位置する請求項１３または１４に記載の波浪エネルギ抽出用システム。１６．タービンに関連した空気圧縮室排気口および／または囲い板が、タービンに出入りする空気流の方向を最適化するための案内羽根を含む請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の波浪エネルギ抽出用システム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．湾の入り江から、平面で、略部分放物線状の曲率を有する２つの収斂側壁を内周にて規定するよう構成された略直立する壁によって境界が定められる入海を含み、壁の延長線上にある前記放物線の各々の対称軸が平行であり、前記側壁がその収斂端に隣接して接合され、共通の頂部を形成し、前記壁が前記対称軸に略平行な方向に伝搬する進行波を受け入れる向きで配置され、波が前記壁から跳ね返る際に、この波が前記放物線の各々の焦点の位置または焦点に隣接する位置にある頂部付近のエネルギ動力化領域に収斂することによって、波の垂直方向の変位をその領域で増幅する平面波集波増幅構造物。２．部分放物線曲率の収斂側壁が、関連の空気圧縮室の後壁部分も規定する端壁部分によって共通の頂部で接合されている請求項１に記載の平面波集波増幅構造物。３．関連の空気圧縮室の前壁部分が、前記後壁部分の前に延在する壁断面によって規定され、エネルギ動力化領域の周囲に予め定められたエリアの境界を規定し、波を形成している水が前壁の下を流動して圧縮室内を上るように前壁断面が予測最低波面よりも一部のみが低い位置に延在している請求項２に記載の平面波集波増幅構造物。４．波の進入レベルでの平面断面で比較的大きな空気圧縮室の壁から延在する、部分放物線状の曲率を有する比較的短い２つの側壁によって湾が規定される請求項２または３に記載の平面波集波増幅装置。５．空気圧縮室の後壁の一部のみが既存の海岸線によって形成される請求項２乃至４のいずれか１項に記載の平面波集波増幅構造物。６．部分放物線状の曲率を有する収斂側壁と、共通の頂部との組み合わせによって規定される壁が、連続した単一の放物線またはこれに極めて近似した形状の端部分を規定し、波が壁から跳ね返る際に、この波が前記放物線の単一の焦点位置またはこれに隣接した位置の領域で収斂する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の平面波集波増幅構造物。７．放物線の一方または両方の対称軸に対して略垂直な方向に沿って一定深度の略平坦な海床によって、湾の底で湾の境界がさらに定められ、そこから部分放物線状の側壁が形成される請求項１乃至６のいずれか１項に記載の平面波集波増幅装置。８．海床がエネルギ動力化領域に向かって上方向に傾斜している請求項７に記載の平面波集波増幅構造物。９．湾エリアの大部分の範囲内で海床が略水平である請求項７に記載の平面波集波増幅構造物。１０．放物線の焦点距離が予測進入波長の１／７以下である請求項１乃至９のいずれか１項に記載の平面波集波増幅構造物。１１．放物線の焦点距離が５〜１５メートルである請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の平面波集波増幅構造物。１２．ほぼ軸方向の往復流体流が通過する場合に一方向に回転するよう動作可能であり、動翼を含むタービンであって、前記動翼が、中央ハブと、半径方向にまっすぐ延在し、各々前記ハブに連結された断面翼形の複数のブレードと、を備え、前記ブレードの各々の断面が、最大反り高を規定している線を中心にほぼ対称であり、半径方向の端から端までがほぼ一定であって、これによって、ブレードおよびハブに対するブレードの向きのほぼ対称な形状が、ブレードを通過する軸方向の往復流体流に応答して動翼が一方向に回転しやすくなるタービン。１３．各ブレードが、前記翼形断面の翼弦面とハブの軸との間の最大内角が０ °〜９０°になるようにハブに連結されている請求項１２に記載のタービン。１４．ブレードのピッチを可変調節可能である請求項１２または１３に記載のタービン。１５．ブレードを通過する往復流体流に同期してブレードのピッチを反転可能である請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載のタービン。１６．最大ピッチすなわち内角が−３０°〜＋３０°の間である請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載のタービン。１７．作用流体が気体であり、ブレードピッチの反転が気体流の反転点を検出するように配置された圧力変換器に応答する手段によって達成される請求項１５または１６に記載のタービン。１８．ハブと一緒に取り付けられ、ブレードをハブに取り付けている中央のスピゴットを中心に各ブレードを回転させるように配置された、適宜駆動されるベベルギアアセンブリを備えるブレードピッチ変更または反転メカニズムを含む請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載のタービン。１９．ブレードピッチ変更または反転メカニズムを含み、各ブレードが、動翼の軸に沿って往復移動可能である、対角線方向にキー溝が施された作動軸と協動するオフセット動作側壁を有するスピゴットに取り付けられ、これによってスピゴットを中心にブレードを回転させる請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載のタービン。２０．動翼が４枚から１６枚のブレードを含む請求項１２乃至１９のいずれか１項に記載のタービン。２１．タービンの弦節比が０．２〜０．８の範囲である請求項１２乃至２０のいずれか１項に記載のタービン。２２．ブレード翼弦比が１８％である請求項１２乃至２１のいずれか１項に記載のタービン。２３．翼形が、標準的なＮＡＣＡ６５−４１８翼形の前半分の部分がマージされた形を含む請求項１２乃至２２のいずれか１項に記載のタービン。２４．予め定められた平面位置において、周期的な垂直ピークを大きくして進入波の波底変位とする集波手段と、ほぼ水中に沈んだ吸水口を有し、前記予め定められた平面位置の場所またはこれにすぐ隣接した場所に配置されて、多量の空気がその上で変位することで対応する周期的な往復空気流が生成されるように、周期的に振動する波を受け入れる空気圧縮室と、を含み、前記圧縮空気室が、前記往復空気流に応答して一方向に回転するよう動作する空気駆動式タービンが内部に設けられた排気口も有し、前記タービンが請求項１２乃至２２のいずれか１項に従って構成されたものである波浪エネルギ抽出用システム。２５．空気圧縮室が、空気流を加速するように吸水口から排気口に向かって収斂するように構成されている請求項２４に記載のエネルギ抽出用システム。２６．空気圧縮室が、その排気口に隣接したベンチュリを含み、空気駆動式タービンがベンチュリの首部内に位置する請求項２４または２５に記載の波浪エネルギ抽出用システム。２７．タービンに関連した空気圧縮室排気口および／または囲い板が、タービンに出入りする空気流の方向を最適化するための案内羽根を含む請求項２４乃至２６のいずれか１項に記載の波浪エネルギ抽出用システム。２８．予め定められた平面位置が構造物を規定する１つまたは複数の各放物線の頂点である請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の放物線状または部分放物線状の平面波集波増幅構造物を含む、予め定められた平面位置において、周期的な垂直ピークを大きくして進入波の波底変位とする集波手段と、ほぼ水中に沈んだ吸水口を有し、前記焦点の場所またはこれにすぐ隣接した場所に配置されて、多量の空気がその上で変位することで対応する周期的な往復空気流が生成されるように、周期的に振動する波を受け入れる空気圧縮室と、を含み、前記圧縮空気室が、前記往復空気流に応答して一方向に回転するよう動作する空気駆動式タービンが内部に設けられた排気口も有する波浪エネルギ抽出用システム。２９．空気圧縮室が、空気流を加速するように吸水口から排気口に向かって収斂するように構成されている請求項２８に記載の波浪エネルギ抽出用システム。３０．空気圧縮室が、その排気口に隣接したベンチュリを含み、空気駆動式タービンがベンチュリの首部内に位置する請求項２８または２９に記載の波浪エネルギ抽出用システム。３１．タービンに関連した空気圧縮室排気口および／または囲い板が、タービンに出入りする空気流の方向を最適化するための案内羽根を含む請求項２８乃至３０のいずれか１項に記載の波浪エネルギ抽出用システム。