JP2005531707A - 波力装置、発電のための波力装置の使用、発電方法、ならびに波力装置用のリニア発電機を製造するための一式の構成要素 - Google Patents

Abstract

本発明は、接続手段（４）によってリニア発電機（５）のロータ（７）に接続された浮体（３）を有する波力装置に関する。ステータ（６）は海底（１）に固定される。本発明では、ロータ（７）は永久磁石であり、ステータ（６）は、ロータの運動方向に分布する複数の極を形成する巻線を含む。本発明はまた、本発明に係る複数の波力装置から成る波力プラントにも関する。本発明はまた、波力装置の使用、電気エネルギを生成する方法、本発明に係る波力装置用のリニア発電機を製造するための構成要素のシステム、及びそのようなリニア発電機を製造する方法にも関する。

Description

本発明の第一の側面は、浮体及びリニア発電機を含み、該発電機のロータが接続手段によって浮体に接続され、かつ該発電機のステータが海底／湖底に固定されるように構成された発電用の波力装置に関する。

本発明の第二の側面は、本発明に係る複数の波力装置を含む波力プラントに関する。

本発明の第三の側面は、請求の範囲に記載された波力装置の発電ための使用に関する。

本発明の第四の側面は、浮体をリニア発電機のロータに接続し、ステータを海床又は湖床に固定することによって発電させる方法に関する。

本発明の第五の側面は、本発明に係る波力装置用のリニア発電機を製造するための一式の構成要素に関する。

最後に、本発明の第六の側面は、本発明に係る波力プラント用のリニア発電機を製造する方法に関する。

本願において、「ロータ」なる用語はリニア発電機の可動部を指すものとして使用する。したがって、「ロータ」なる用語は回転体には関係がなく、往復直線運動する運動体に関係すると理解すべきであり、「ロータの運動の方向」は、その直線運動方向を指す。ロータの「中心線」は、ロータの任意選択的横断面の中心を通りかつ運動方向に走る線を指し、「横断面」は、ロータの運動の方向に垂直な断面を指す。

本発明に係る波力装置は、主として最高５００ｋＷまでの用途を意図しているが、それに限定されない。

海及び大きい内陸湖の波の運動は、これまでほとんど活用されてこなかった潜在的なエネルギ源である。利用可能な波のエネルギは波の高さに依存し、当然ながら場所によって異なる。一年の平均波エネルギは様々な風の状況に依存し、それはその場所の最も近い沿岸からの距離によって大きく影響される。北海(North Sea)での測定を例にとると、深さが約５０ｍであったデンマーク国ユルランの沿岸から約１００ｋｍ西の一測定点で、長期間にわたって波高を測定し、平均エネルギを計算すると、次表の結果が得られた。

このように、半分弱の時間中に、波の高さは約１ｍであり、２ｋＷ／ｍの出力を生成する。しかし、波高が増大すると出力が大きく増加することを考慮して、大半のエネルギは２〜５ｍの領域の波高から得られる。

海洋の波の運動から得られるエネルギを発電に利用するために、様々な種類の波力装置が提案されてきた。しかし、これらは従来の発電方法との競争に失敗した。これまでに実現された波力プラントは主として実験プラントであり、航行浮標（navigation buoy）に局所的に電力を供給するために使用されてきた。商業的発電を可能にし、こうして海洋波の運動のエネルギの莫大な蓄えにアクセスしようとする場合、適切な地点に装置を配置する必要があるだけでなく、装置の動作が信頼でき、非常に効率的であり、かつ製造及び運転コストが低いことも必要である。

したがって、波動エネルギを電力に変換するための実現可能な原理の中で、リニア発電機はおそらくこれらの要件を最大限に満足する。

波動によって生じる浮体の上下運動はこうして、発電機のロータの往復運動に直接変換することができる。リニア発電機は極めて頑健かつ単純に構成することができ、それは海底に固定されるので、安定であり、かつ水の流れに影響されない。発電機の唯一の可動部は往復運動するロータである。貯蔵の問題は実質的に除去される。装置は、その少数の可動部及び単純な構成のおかげで、動作が非常に信頼できる。

例えば下記特許文献１は、すでに公知であるリニア発電機の原理に基づく波力装置を示している。この公告はしたがって、海底に固定された発電機を記載しており、それは海面の波動から電気エネルギを生成する。発電機のコイルは、コイルが波の運動により上下運動するように、浮体に接続される。コイルに電磁力が発生するようにコイルが動くと、磁界がコイルに作用する。磁界は、コイルの行程全長に沿った単純な磁界配向を持つ一様な磁界を生じるようなものである。発電機は海底の台板を含み、それは磁心を支持し、その中でコイルが運動する。

リニア発電機を備えた波力装置は、下記特許文献２からも公知である。そのロータは複数の永久磁石から成り、発電機の巻線は周囲のステータに配設される。大きな欠点は、ステータ巻線が単一のコイルから成ることである。したがってそれは極を持たない。ロータの直線運動は遅いので、これは誘導電流が極めて低い周波数を持つことを意味する。
米国特許第６，０２０，６５３号 米国特許第４，５３９，４８５号

本発明の目的は、信頼できる動作、単純性、及び費用効率性の要求を最大限に満たす関連型波力装置を製作することである。

設定された目的は、請求項１の前提部分に記載された波力装置が、ロータが永久磁石であり、かつステータがロータの運動方向に分布する複数の極を形成する巻線を含むという特徴を備えている、本発明の第一の側面に従って実現された。ステータ内に巻線を含み、かつロータを永久磁石にすることにより、装置の可動部を可能な限り最も単純な構成にすることが可能になり、したがってコスト及び外乱のリスクも軽減される。また、巻線をステータ内に配置する場合、巻線を設計し、電流を送ることも簡単になる。また、次々に配設される複数の極のおかげで、誘導電流の周波数を高めることができ、それは前後運動の周波数が低いという事実に鑑みてかなり有利である。波力装置はこのように、波から電力を抽出する、財政的に競争力を持つ方法を提供する。ステータはロータの外側又は内側のいずれかに配設することができる。ほとんどの場合、それは外側にあることが好ましい。これらの変異形の組合せも、本発明の範囲内で実現可能である。

波力装置の好ましい実施形態では、ロータは縦方向に配向される。

ロータは横方向に又は斜めに配向することができるので、ほとんどの場合、縦方向の配向が最も現実的である。

別の実施形態では、ロータは、ロータの運動の方向に分布する複数の永久磁石を含む。

そのように設計されたロータは、ロータが本発明に従って設計されたリニア発電機と最適に協働する。

さらなる別の実施形態では、極間の距離は５０ｍｍ未満であり、１０ｍｍ未満が好ましい。

極の距離が小さければ小さいほど、実現する周波数は高くなる。波が１ｍの高さであった場合、ロータの平均直線速度は約０．５ｍ／ｓとなり、波が２ｍの高さであった場合、平均速度は０．８ｍ／ｓとなる。したがって、５０ｍｍの極間隔で、高さ１〜２ｍの波の場合、１０〜１５Ｈｚ程度の周波数が得られる。１０ｍｍの極間隔では、周波数は５倍高くなる。現実的に適切な極間隔は約８ｍｍである。

別の実施形態では、ステータは、ロータの周囲に均等に分布した複数の積層スタックを含む。

これにより、磁界の最大可能部分を電流の誘導に利用することが可能になる。

さらなる別の実施形態では、ロータは正多角形として形成され、積層スタックの数は多角形の辺の数に等しい。

そのような実施形態により、電流の誘導に磁界を活用するための構造的に単純な最適化が実現される。

さらなる別の実施形態では、各積層スタックは、ロータの運動の方向に相互に配設された複数のモジュールから成る。

モジュール式構成のおかげで、リニア発電機のステータは、特定の事例の条件に適した長さに容易に調整することができる。したがって、標準構成要素を使用して、様々なサイズの装置を構築することができる。これは、製造コストの低減にさらに貢献する。このことにより、既存のプラントを容易に改造することをも可能になる。各モジュールは一つ又はそれ以上の極を含むことができる。

ロータのさらなる実施形態では、ロータはその周囲に分布する複数の永久磁石を含み、ロータの任意選択的横断面内で一つの永久磁石が各積層スタックの方向を向くように配設される。永久磁石が協働するように磁石を積層スタックがある全ての方向を向くように配設することにより、電流の誘導に対する運動の利用がさらに高まる。

追加の実施形態では、ロータは、磁石が装着されたロータ本体を含む。

永久磁石は一様な標準的構成要素で構成され、その最適数をロータに沿ってその周囲に分布させることができ、同じ標準構成要素が異なる長さ及び横断面のロータに使用されるので、本実施形態は、単純かつ安価なロータを実現する機会をもたらす。

さらなる好ましい実施形態では、ロータの長さ及びステータのそれは、相互に２倍以上異なる。

これは、ロータの全ストローク長において最大誘導電流を促進する。

別の実施形態では、ロータはステータより長い。

これは通常、ロータの全ストローク長を利用する最も適切な方法である。

さらなる別の実施形態では、ロータを規制するために一つ又はそれ以上のガイド要素が配設される。そのような規制により、確実に比較的単純な手段を用いて、ロータの運動の許容できる正確な経路を得ることができる。空隙を非常に小さく、１ｍｍかそれに近い値にすることができるので、損失が最小化される。

さらに有利な実施形態では、接続手段の少なくとも一部分は可撓性である。

これは、浮体に対する横方向の波力が全力で発電機のロータに伝達されるのを防止する。したがって、偏向力は控えめであるので、その規制が比較的弱くなるような寸法にすることができる。

別の実施形態では、接続手段はケーブル、ワイヤ、又はチェーンを含む。

接続手段に求められる可撓性は、このように都合よくかつ構成的に単純に実現される。ケーブル、ワイヤ、又はチェーンは浮体からロータまでずっと延在することができ、あるいは接続手段の一部分だけを構成することができる。代替的に可撓性は、剛性であるが自在継手を供えた接続手段によって実現することができる。

さらに別の好ましい実施形態では、装置は、ロータに縦方向の力を加えるように構成されたばね手段を含む。これにより確実に、ロータの下向きのストロークが、水面が下降する速度に対応する全速で発生する。ロータの質量が比較的小さくために、こうしなければケーブルに緩みが発生するような場合、これは有意義である。ばね手段の最も重要な仕事は、下向きの力を与えることであるが、特定の場合、それは上向きの力も作用するように構成することが得策かもしれない。

さらなる別の実施形態では、ばね手段のばね率が調整可能である。

ばね率を変化させることにより、共振が得られるようにそれを波動の周波数に調整することができる。「ばね率」とは、ばね手段がいくつかのばね要素から構成される場合の複合定数を意味する。通常、ばね率は、大部分の時間中に発生することが期待される波の型の共振周波数に対応する値に設定される。

さらに別の実施形態では、接続手段の長さが調整可能である。

これは、例えば、潮汐水の場合のように、海面／湖面の異なる高さに合わせて調整することを可能にする。

さらに別の実施形態では、装置は、浮体の運動とロータの運動との間に歯車比を生じる歯車機構を含む。

歯車機構にすることで、浮体の速度より数倍高い速度をロータに与えることができる。したがって誘導電流の周波数を高める代替的又は補足的機会が得られ、それは特に、多相発電機の場合に望ましい。

設計上の側面から、接続手段がロータと接合する場所に歯車機構を配設することが現実的である。これは本発明の追加の有利な実施形態となる。

さらに別の実施形態では、リニア発電機は、海底／湖底に載置するように構成された台板に固定される。

リニア発電機自体をそれが海面よりずっと上に位置するように固定することができるので、この実施形態は間違いなくずっと簡単に実現することができる。それはまた高い安定性を提供する。

さらに別の実施形態では、ステータは、充分な横断面寸法の中央自由空間を形成し、該空間にロータを入れることができるように設計されたスタンドによって支持される。該空間は少なくともロータの長さに匹敵する高さである。

該実施形態は、ステータの全長が電流を誘導するために使用されるように、ステータ全体を通り越えてロータの運動が続くことを可能にする。

さらに別の実施形態では、リニア発電機は水密ハウジング内に密閉される。

筐体は、発電機が塩水又はフジツボのような水中の生物の影響を受けるのを防ぐ。そうすることにより、構成要素は、塩水に耐えるそれらの能力に関する品質おいてより低い要求で設計することが可能となり、したがってより安価に製造することができる。

さらに別の実施形態では、ハウジングは液体を充満させる。

この実施形態は、発電機が比較的深い水中に配置される場合に、そうしなければ圧力差のためハウジングが充分に水密であることを確実にすることが困難になるので、特に有意義である。ハウジングに塩水より攻撃的でない型の液体を充填する場合、ハウジングのブシュが比較的単純な場合でも、後で浸透する危険性は実質的に排除される。発電機はまた液体によって冷却される。液体は適切に周囲と同じ圧力を持たなければならない。

さらに別の実施形態では、台板、スタンド、及び／又はハウジングは主としてコンクリートから作られる。コンクリートは、この明細書の流れで使用することのできる、考え得る最も安価な材料である。さらに、多くの場合、装置は高いバラスト重量を持つことが重要であり、その場合、材料コストはかなり重要である。

さらに別の好ましい実施形態では、ステータは少なくとも部分的に固体材料内に埋め込まれ、及び／又はロータは少なくとも部分的に固体材料内に埋め込まれる。材料はコンクリートが適切である。

これは、埋め込まれた構成要素が周囲の塩水から事実上保護されることを意味する。特定の場合、本実施形態は、発電機全体をハウジング内に密閉することに対する適切な代替法とすることができ、それにより密閉の問題は事実上取り除かれる。

さらに別の好ましい実施形態では、ロータは中空であり、外側及び内側の両方を向いた永久磁石が設けられ、積層スタックはロータの外側及び内側の両方に配置される。

本実施形態は、内向きの磁界も利用するので、電流を誘導するステータの能力を最大限に活用する。

さらに別の好ましい実施形態では、浮体は接続手段によって複数のリニア発電機に接続される。

発電機側のそのような二重化又は多重化は、特定の場合には、全体的により経済的な装置を導き、各リニア発電機は完全に標準装置とすることができ、局所性に応じて適切な数を一つの同じ浮体に接続することができるので、モジュールの原理に基づく設計の実現可能性が高まる。

さらに別の好ましい実施形態では、ステータ巻線は整流器に接続される。この整流器は、水面下でリニア発電機に近接して配置することが適切である。

さらに別の実施形態では、発電機は可変周波数の電圧を生成するように構成される。これは、整流後の電流信号が両極性ＤＣ電圧であるからである。

発電機はしたがって波動によってロータに形成される運動パターンに適しており、速度は、波のサイクルで浮体のある位置、及び波面の運動の重畳変化に依存する。

上記の請求波力装置の有利な実施形態は、請求項１に従属する請求項に記載する。

波力装置は、波力プラントを形成するために幾つかの同様の装置と組み合せるのによく適している。したがって、本発明の第二の側面は、各波力装置のステータ巻線が整流器を介して複数の波力装置に共通のインバータに接続されて成る、そのような発電プラントに関する。該インバータは、給電網にエネルギを供給するように構成される。

波力プラントは、請求の範囲に記載された種類の装置を使用し、それによってそれらの利点を活用してより大規模に発電するためのシステムであって、ＤＣ及び次いでＡＣへの変換により有利な送電条件が生じるようにしたシステムの現実的に実現可能な解決策を提供する。

波力プラントの好ましい実施形態では、少なくとも一つの開閉所が波力装置に接続され、この開閉所は配電構成要素を密閉する水密容器を含み、該容器は海底に固定される。

波動を利用する海の発電装置から生成される経済的エネルギ生産を得るために、発電装置だけでなく、エネルギを各エネルギ源から送電及び配電用の電力網に伝送するために必要なシステム全体の技術的最適化を実現することが重要である。ここで重要な側面は、波力プラントが岸からある程度の距離離れて配置されることであり、該距離は時々かなり大きくなる。

そのように設計された開閉所への接続により、それは発電装置の近くに配置することができる。これにより損失が最小化され、かつ複数の波力装置からのエネルギを、陸上の給電網に接続された単純な共通ケーブルを介して、伝送することが可能になる。これは、波力装置及び開閉ステーションの両方を、標準的構成要素を使用して標準的モジュールとして構築することができる、包括的な解決策を提供する。建設及び運転の両方が経済的であること以外に、本発明に係る発電プラントは、環境に敏感な沿岸地域に開閉装置の建物を建築する必要が無いので、環境上の側面からも利点となる。

別の好ましい実施形態では、システムは複数の開閉所を含み、そこで各々が複数の波力装置に接続される。装置の数が大きい場合、そのような実施形態はしばしば有利である。

さらに別の好ましい実施形態では、各開閉所は陸上に配設された受電所に接続される。

さらに別の好ましい実施形態では、開閉所の少なくとも一つ、通常はそれらの全部が、昇圧器を含む。代替的に、又は追加的に、昇圧器は中間局に配設される。昇電圧レベルでのエネルギの伝送は、技術的及び財政的側面の両方からより有利な伝送を実現する。

さらに別の好ましい実施形態では、開閉所及び／又は中間所は変換器を含む。こうして電圧はＡＣとして有利に伝送することができる。

さらに別の好ましい実施形態では、開閉所及び／又は中間所は、エネルギを貯蔵するための手段を含む。そうすると、システムは、利用可能な電力及び要求される電力の変動に応じて、供給される電力を容易に調整することができる。

さらに別の好ましい実施形態では、開閉所及び／又は中間所は、送出及び／又は受電出力及び電圧をフィルタするためのフィルタ手段を含む。問題の型の発電装置によって供給される電圧は多くの場合不安定であり、周波数及び振幅に関して変動することがあり、ヘテロダイン周波数をも含むことがある。フィルタ手段の配設はこれらの欠陥を除去するか少なくともそれらを低減するので、外乱の無いきれいな電圧がネットワークに伝送させる。

さらに別の好ましい実施形態では、開閉所及び／又は中間所は非腐食性緩衝液を充填される。これは、攻撃的な塩水が浸透するのを防止し、開閉所及び／又は中間所の構成要素を保護する。

さらに別の好ましい実施形態では、フィルタ及び／又は変圧器はインバータの後に配設される。これは、きれいな理想的な電圧を供給することができ、かつそれを適切な昇圧により送電又は配電網にさらに伝送することができることを確実にする。

さらに別の好ましい実施形態では、フィルタ及び／又は変圧器は陸上に配設される。

これは、これらの構成要素が海に位置した場合より、プラント及び運転の観点から、より適した解決策を提供する。

さらに別の好ましい実施形態では、各波力装置は、海底及び／又は湖底の近くに配設されたケーブルを介してインバータに接続される。

ケーブルは海底の近くに配設されるので、そうでない場合より、周囲に混乱を引き起こす、あるいは接触される危険性が低い。

上記の請求波力プラントの有利な実施形態は、請求項３２の従属請求項に記載する。

本発明の第三の側面では、設定された目的は、波力装置又は波力プラントを発電のために使用し、よって上記のタイプの利点を得ることによって実現される。

設定した目的は、請求項４５の前提部分に記載された種類の方法が、ロータを永久磁石にし、かつステータにロータの運動方向に分布する複数の極を形成する巻線を設ける特別な方策を含むということから、発明の第四の側面で実現される。

好ましい実施形態では、波力装置及びその好ましい実施形態を利用しながら、請求の範囲に記載された方法を利用する。

こうして、波力装置及びその好ましい実施形態について上記と同等の利点が得られる。

別の好ましい実施形態では、ステータは海底／湖底に直接、又は底に載置された台板上に配置され、発電機の中央部の下の海底に凹所が設けられ、凹所の深さはロータの長さに一致する。

台板を介してステータを海底に直接配置することにより、装置の最大可能な安定性がもたらされ、それを適所に固定することが容易になる。海底の中央凹所のおかげで、ロータはステータ全体にわたって移動することができるので、利用可能な全運動エネルギが変換され、利用される。

さらに別の実施形態では、生成されたエネルギは開閉所に伝送され、その構成要素は水密容器内に配設され、該容器は海底に固定される。

上記方法の好ましい実施形態については、請求項４５の従属請求項に記載する。

本発明の第五の側面から、設定した目的は、本発明に係る波力装置用のリニア発電機を製造するための一式の構成要素が、構成要素が標準的な均一型の複数のステータモジュールを含み、該ステータモジュールが任意の個数をロータの中心線の周りに並んで分布する状態に配設するのに適しているという特徴を含むことから実現される。

請求の範囲に記載された一式の構成要素により、一つの同じ型の基本構成要素を使用して、様々な高さ及び異なる横断面寸法のリニア発電機を組み立てることが可能である。該一式の構成要素が基礎におくモジュール式構成原理はこうして、財政的に競争力のある波力プラントを構築する機会を大幅に向上する。異なる波力プラントに対する異なる条件は、モジュール式解決策が単純に適合させることを可能にするので、各個別事例に対して特製の解決策を要求する必要が無い。

請求の範囲に記載された一式の構成要素の好ましい実施形態では、構成要素は標準的な均一型の永久磁石を複数含み、該永久磁石は任意の個数をロータの運動方向に相互に一列に並べてロータ本体に取り付けるのに、及び／又は任意の個数をロータの中心線の周りに並んで分布する状態でロータ本体に固定するのに適しており、該永久磁石はステータモジュールに適している。

この実施形態は、ロータも標準構成要素から構築することができるので、請求の範囲に記載された一式の構成要素によって表わされるモジュール化の概念にさらに踏み込む。該実施形態はしたがって、そのような一式の構成要素に関係付けられる利点をさらに倍加する。

上記一式の構成要素の好ましい実施形態については、請求項５４の従属請求項に記載する。

最後に、本発明の第六の側面から、設定した目的は、本発明に係る波力装置用のリニア発電機を製造する方法が、標準的な均一型のステータモジュールからステータを製造し、ロータの中心線の周りに並んで均等に分布する状態に配設された複数の積層スタックからステータを構築する特別な方策を含むこと、及び各積層スタックがロータの運動方向に相互に一列に配設された一つ又はそれ以上のステータモジュールから構成されることから実現される。

本発明の製造方法は、一式の構成要素によって提供されるモジュール方式の製造の可能性を活用し、対応する利点をもたらす。各モジュールは、組立の前に適切に試験される。

製造方法の好ましい実施形態では、ロータは標準型の永久磁石から製造され、これらは、ロータの中心線の周りに並んで均等に分布する状態でロータ本体に取り付けられ、それらの一つ又はそれ以上がロータの運動方向に相互に一列に固定される。

本発明の製造方法のこの実施形態は、モジュール式構成原理をさらに推し進め、それによって実現される利点を強化する。

上記製造方法の好ましい実施形態については、請求項５６の従属請求項に記載する。

本発明の有利な実施形態の以下の詳細な説明で、添付の図面を参照しながら、本発明についてさらに詳述する。

図１は、本発明に係る波力装置の原理を示す。浮体３は海面２に浮くように構成される。波は往復上下運動を浮体３に伝える。リニア発電機５は、底が固定された台板８を介して海底に固定される。台板はコンクリート製とすることができる。リニア発電機のステータ６ａ、６ｃは台板８に固定される。ステータは四つの垂直柱状積層スタックから成り、そのうちの二つだけが図示されている。発電機のロータ７は積層スタック間に配設され、ケーブル４によって浮体３に接続される。ロータ７は永久磁石を材料とする。

台板８は中心に配置された穴１０を有し、これと同心状に底凹所９が海底に形成される。凹所９は適切にライニングすることができる。引張りばね１１が凹所９の下端に固定され、ばねの他端はロータ７の下端に取り付けられる。台板８の穴１０及び凹所９の直径は、ロータ７がその中を自由に移動できるようにする。

各積層スタック６ａ、６ｃは複数のモジュールから構成される。図示した例では、積層スタック６ａは、それが縦方向に配設された三つのモジュール６１、６２、６３にいかに分割されるかを示すように印が付いている。

海面２の波の運動のため、浮体３が上下に移動すると、この動きはケーブル４を介してロータ７に伝達され、したがってそれは積層スタック間で同等の往復運動を獲得する。したがってステータ巻線に電流が発生する。凹所９は、ロータが下降運動時にステータ全体を通過することを可能にする。引張りばね１１は、ケーブル４が常にピンと張った状態に維持されるように、下降運動に力を加える。

ばねはまた、特定の状況で上向きの力を与えることもできるように設計することもできる。ばねのばね率は、できるだけ多くの時間に共振が実現されるように、制御手段２８によって制御することができる。

ステータは、塩水に耐えることができるように、完全に又は部分的にＶＰＩ又はシリコンを含浸させることができる。

図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。この例では、ロータ７は正方形断面を持ち、積層スタック６ａ〜６ｄはロータ７の各辺に配設される。１２ａ〜１２ｄはそれぞれの積層スタックの巻線を表わす。各積層スタックのプレートの向きも図から明らかである。ロータと隣接する積層スタックとの間の空隙は数ｍｍ程度である。

対応する断面図で、図３は、ロータ７の横断面が八面体の形状であり、したがって積層スタックの数が８個である代替実施形態を示す。

ロータの横断面の形状は任意の数の辺を持つ多角形とすることができることを理解されたい。多角形は正多角形であることが好ましいが、必ずしもそうである必要は無い。ロータは円形にすることもできる。積層スタックをロータの周囲全体で様々な方向に向けて配設することによって、できるだけ多くの磁界が電流を誘導するために利用される。

図４は、積層スタックの一つのモジュール６１を斜視図で示す。該モジュールは、ボルト１４によって一つに保持され、巻線１２用のスロット１５を設けた、階層状のプレート１３から成る。極間距離ａ、すなわち巻線層間の距離は、特定のステータの長さに対してできるだけ多くの極を得、それによって誘導電流に高い周波数を得るために、できるだけ小さくする必要がある。実用的に適切な極間距離は約８ｍｍであり、スロット幅は約４ｍｍであり、したがってプレートの歯の幅も４ｍｍである。

積層スタックは、一つ又はそれ以上のそのようなモジュールから構成することができる。各モジュールは、図４に示すように、通常複数の極を有する。しかし、各モジュールに極が一つしか無いモジュールも選択肢である。

ステータ巻線１２は、図５に示すように、様々な積層スタック６ａ〜６ｄに共通することができる。

図６は、各積層スタックが個別の巻線を有する代替例を示す。この図は、二つの極を持つモジュールを示す。

巻線の絶縁は、塩水に耐性を持つ一つの層を含み、それは最高６ｋＶまでの電圧に耐えることができる。この層は、ＰＶＣ又は類似物のようなポリマとすることができる。代替的に、エナメル線を使用することができる。導体はアルミ二ウム又は銅から構成される。

空隙をできるだけ小さくすることができるように、ロータ７の運動は注意深く規制することが重要である。リニア発電機の略断面図である図７は、これを単純かつ信頼できる方法でいかに実現できるかを示す。この場合、ロータは、隅を面取りした正方形の横断面を有する。各隅にガイド１６ａ〜１６ｂが配設される。各ガイドは、その下端を台板８（図１参照）に固定され、積層スタック６ａ〜６ｄと平行に縦方向に上向きに延在する。４個のガイドはロータの運動の厳密に中心を合わせた規制を確実にする。

代替実施形態を図８に示す。この場合、ロータ７は、その中を長手方向に貫通する中央の方形穴を持ち、そこに中央ガイド１６が配設される。

図１に示した発電機は、ロータより約２倍の長さのステータ部を有する。図９は、代わりにロータ７がステータ６の約２倍の長さである代替実施形態を示す。

本発明に係る波力プラントは、二台又はそれ以上の上記の型の装置から構成される。図１０は、これらがいかに連結されて給電網にエネルギを供給するかを示す。図示した例では、発電プラントは２０ａ−２０ｃで象徴的に示す３台の装置から構成される。各装置は遮断機又は接触器２１及び整流器２２を介して、図ではバイポーラ接続でインバータ２３に接続される。装置２０ａの回路図だけが示されている。他の装置２０ｂ、２０ｃが同様の仕方で接続されることは理解されるであろう。インバータ２３は、おそらく変圧器２４及び／又はフィルタを介して、三相電流を給電網２５に供給する。整流器は、制御することができ、ＩＧＢＴ型、ＧＴＯ型、又はサイリスタ型とすることができ、制御バイポーラ部品を含むダイオード、あるいは制御できないダイオードとすることができる。

ＤＣ側の電圧は、並列もしくは直列で、又はそれらを組み合せて接続することができる。

図１１に斜視図で示すロータ７は、ロータ本体２７の各辺に一列に配置された複数の永久磁石２６を備える。この例では、ロータは四辺を持ち、４個の積層スタックと協働する。

永久磁石２６は、様々な型のロータの形状、例えば外周の異なる長さ及び異なる辺数に対して、適切に同一設計を持つことができる。永久磁石は次いでロータ本体２７に取り付けられる。ロータ本体もまた標準設計とし、ロータが何個の辺を持つかによって個々に調整することができる。

図１２は、ケーブル４にその動作長すなわち浮体３とロータ７との間の距離を制御する制御手段をいかに設けるかを示す。この場合、制御手段は、浮体に取り付けられたシリンダ２９から成り、その上にケーブルの一部を巻きつけることができる。制御手段は他の方法で設計し、代替的にケーブルからロータへの接続部、又はケーブルの途中のどこかに配設することができる。制御手段は、様々な潮汐水の状態に合わせてケーブルの長さを調整することを可能にする。それはまた、浮体を水面の直下に配置するためにも使用することができる。接続手段がケーブルではない場合、例えばワイヤ又はチェーン、又は接合ロッドである場合、それに適した制御手段を使用する必要がある。

図１３は、ケーブルが歯車機構を介してロータに接続される実施形態を示す。図示した例では、歯車機構は、ケーブルに固定され、かつ液体が充填された容器３２内で、密閉状態で上下運動するように構成されたピストン３０、又はロータ７に接続され、かつ同様に容器３２内で上下運動するように構成されたピストン３１から構成される。ケーブル４及び容器３２の一部に接続されてそれらと協働するピストン３０は、ロータ７及び容器３２の一部に接続されてそれらと協働するピストン３１より大きい直径を持つ。容器のピストンは適切に固定される。この構成は、ケーブルの上下運動とロータとの上下運動との間に、ピストン間の面積比に対応する比を生じる。歯車機構は代替的にリンクシステム又は歯車駆動装置の形を取るか、あるいは様々なピッチのねじを使用することができる。歯車機構はまた、歯車比の調整ができるように設計することもできる。

図１４に示した実施形態では、各積層スタック６ａ、６ｃはスタンド部３３ａ、３３ｃ上に載置される。各スタンド部は、海底１に載置された台板８に固定される。スタンド部３３ａ、３３ｃの高さは少なくともロータ７の長さと同じ大きさであるので、これはステータ６を全て通り過ぎることができる。台板８及びスタンド部３３ａ、３３ｃはコンクリートに適切に埋め込まれ、それらの質量は数十トンとする必要がある。

図１５に示した実施形態では、リニア発電機全体が、ハウジング３４及び台板８によって形成されたコンクリート製のケーシング内に密閉される。

図１６の例では、各積層スタック６ａ、６ｃはコンクリートケーシング３５ａ、３５ｃに埋め込まれる。ロータ７もまたコンクリートケーシング３６内に密閉される。

図１７は、リニア発電機の代替実施形態の断面図を示す。この例では八角形で中空のロータ７は、各積層スタック６ａ、６ｂ等と協働する外側を向いた永久磁石２６、及びロータ７の内側の中心に配設された八角形の積層スタックと協働する内側を向いた永久磁石２６ａの両方を有する。

図１８は、浮体３が、二台の異なるリニア発電機のロータ７ａ、７ｂに共通する例を示す。ケーブル４は、ケーブル４ａ、４ｂによって各ロータ７ａ、７ｂに接続された水平ロッド３８に接続される。

図１９は、複数の同一ステータモジュール６及び複数の同一永久磁石２６を持つ構成要素のシステムを示す。構成要素を使用して、任意の長さ及び横断面のリニア発電機を組み立てることができる。各モジュールは、個別構成要素として試験することができるように適切に設計される。

図２０は、連結された幾つかの発電機２０、２０ｂ、２０ｃを有する波力プラントを示す。整流器が各発電機に配設され、ＤＣ電流は、海底に配設されたケーブル３９を介して、インバータ２３、変圧器２４、及びフィルタ４１を装備した陸上のステーションに伝送され、そこから電力は配電又は送電網に供給される。

図２１は、本発明の別の有利な実施形態を示す基本レイアウトスケッチである。開閉所は、海底Ｂに載置して配設される。開閉所１０１は、例えばコンクリート製とすることができるハウジング１０２及び底板１０３によって形成される水密容器から成る。開閉所１０１は海底Ｂに固定される。複数の波力装置の発電機１０４〜１０９は開閉所に接続される。

各波力装置１０４〜１０９は、ハウジング１０２の引込み線を介して開閉所内の構成要素に接続されるケーブル１１０〜１０５によって、開閉所１０１と電気的に接続される。電圧は各装置から低電圧の直流又は交流電圧として供給される。

開閉所１０１の構成要素は従来型であり、図には示さない。これらの構成要素は変圧器だけでなく、半導体、変換器、遮断機、測定装置、リレー保護、サージダイバータ、及び他の過電圧保護装置、接地手段、負荷連結器又は断路器をも含むことができる。

開閉所は、送電ケーブル１１６を介して、好ましくは高電圧の送電直流又は交流電圧を供給する。交流電圧は低周波数を持ち、三相又は多相とすることができる。５０又は６０Ｈｚの標準周波数を使用することもできる。

受電低電圧は、開閉所の変圧器によって送電高電圧に変換される。開閉所の変換器又はインバータは、ＤＣ−ＡＣ変換又はその逆の変換に必要なときに使用される。

電圧は、おそらく中間所を介して陸上に位置する受電所に供給され、給電網に送り出される。

図２２は、複数は発電装置がシステムに含まれる場合に得策な本発明に係るシステムの一例を示す。この図は、鳥瞰図で示したシステムの象徴的な表現であり、図の左側に海洋領域Ｈを、右側に陸上領域Ｌを示す。図の左側の構成要素は部分的に水面下に配置され、部分的に水面上に配置される。

システムは、第一群の発電装置１０４ａ〜１０６ａ、第二群の発電装置１０４ｂ〜１０６ｂ、及び第三群の発電装置１０４ｃ〜１０６ｃを含む。第一群の発電装置１０４ａ〜１０６ａは水中ケーブルを介して、水面下に位置する第一開閉所１１１ａに接続される。同様に、他の二群の発電機１０４ｂ〜１０６ｂ及び１０４ｃ〜１０６ｃは、第二開閉所１１１ｂ及び第三回閉所１１１ｃにそれぞれ接続される。開閉所１０１ａ〜１０１ｃの各々は、水中ケーブル１１６ａ〜１１６ｃを介して、同じく水面下に位置する中間所１１７に接続される。電圧は中間所１１７から低周波三相交流電圧として水中ケーブル１１８を介して、陸上に位置する受電所１１９に伝送される。電圧は受電所で５０又は６０Ｈｚのような標準周波数に変換される。

発電装置と中間所との間の距離は１キロメートルから数十キロメートルまでに及ぶことがある。システムが図２２に示すように構成された場合、片側の開閉所及び中間所から反対側の中間所及び受電所までの距離は最適化することができる。

発電装置から陸上の受電所までの伝送は、様々な電圧変換器により様々な方法で行なうことができる。図２３ないし２６は、これの幾つかの例を概略的に示す。各例で、発電装置は図の左側に、陸上Ｌの受電所は右側に配設される。１２１は変換器／インバータを表わし、１２２は昇圧器を表わす。図２３及び２４で、発電装置は直流電圧を供給し、それは図２３では交流電圧として陸上に伝送され、図２４では直流電圧として伝送される。

図２５及び２６で、発電装置は交流電圧を供給し、それは直流電圧に変換される。図２５でそれは陸上に交流電圧として伝送され、図２６では直流電圧として伝送される。

本発明の範囲内で他の多くの代替例が実現可能である。例えば、図２７に示した型の全波整流器を使用することができる。

エネルギ貯蔵装置及びフィルタも各開閉所１０１、及び／又は中間所１１７に収容することができる。エネルギ貯蔵装置は例えばバッテリ、コンデンサ、ＳＭＥＳ型、フライホイール、又はそれらの組合せから構成することができる。フィルタは、変換器と同様に可動部品を含むことができる。受動ＬＣフィルタ、及びフライホイール変換器又は同期コンデンサのような電子機械的部品も可能である。

本発明に係る波力装置の略側面図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。 代替実施形態を示す、図２と同等の断面図である。 本発明に係る積層スタックのモジュールの斜視図である。 ステータ巻線の一例を示す、図２と同等の断面図である。 代替実施形態に係る積層スタックのモジュールの側面図である。 本発明の詳細を示す、図２と同等の断面図である。 図７と同等の詳細の代替的実施例を示す断面図である。 代替実施形態に係る発電機の略側面図である。 本発明に係る複数の装置をいかに連結して波力プラントを形成するかを示す線図である。 本発明の一実施形態のロータの斜視図である。 一実施形態に係る装置の詳細の側面図である。 別の詳細例の基本レイアウトスケッチの図である。 本発明に係るリニア発電機の代替実施形態の側面図である。 本発明に係るリニア発電機の別の代替実施形態の側面図である。 本発明に係るリニア発電機のさらに別の代替実施形態の側面図。 リニア発電機の代替実施形態の場合の図１における断面ＩＩ−ＩＩに対応する断面図である。 本発明に係る装置の別の代替実施形態の側面図である。 本発明に係る構成要素のシステムを示す略図である。 波力装置がどのように波力プラントを形成し、それが給電網にどのように接続されるかを示す略図である。 開閉所に接続された波力装置の側面図である。 波力装置を給電網に接続する代替的方法を示す略図である。 本発明に係る発電プラントで電圧を変換する一例を示す図表の図である。 本発明に係る発電プラントで電圧を変換する別の例を示す図表の図である。 本発明に係る発電プラントで電圧を変換するさらに別の例を示す図表の図である。 本発明に係る発電プラントで電圧を変換するさらに別の例を示す図表の図である。 代替的整流例を示す線図である。

Claims (57)

1. 浮体（３）と、ロータ（７）が接続手段によって前記浮体（３）に接続され、かつステータ（６）が海底／湖底（１）に固定されるように構成されて成るリニア発電機（５）とを備えた発電用の波力装置において、前記ロータ（７）が永久磁石であり、前記ステータ（６）が前記ロータ（７）の運動の方向に分布する複数の極を形成する巻線を備えることを特徴とする、波力装置。
2. 前記ロータが縦方向に向けられたことを特徴とする、請求項１に記載の波力装置。
3. 前記ロータが前記ロータの運動方向に分布する複数の永久磁石を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の波力装置。
4. 前記ロータ（７）の運動方向に見た前記極間の距離が５０ｍｍ未満、好ましくは１０ｍｍ未満であることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の波力装置。
5. 前記ステータ（６）が前記ロータの周囲に均等に分布する複数の積層スタック（６ａ〜６ｄ）を含むことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の波力装置。
6. 前記ロータ（７）が正多角形として形成され、前記積層スタック（６ａ〜６ｄ）の個数が前記多角形の辺の数に等しいことを特徴とする、請求項５に記載の波力装置。
7. 各積層スタック（６ａ〜６ｄ）が前記ロータ（７）の運動方向に相互に配設された複数のモジュールから構成されることを特徴とする、請求項５又は６に記載の波力装置。
8. 前記ロータがその外周に分布する複数の永久磁石を含み、前記ロータの任意の横断面内で永久磁石が各積層スタックの方向を向くように配設されることを特徴とする、請求項5ないし７のいずれか一項に記載の波力装置。
9. 前記ロータがロータ本体を含み、その上に磁石が装着されることを特徴とする、請求項８に記載の波力装置。
10. 前記ロータ（７）の長さ及び前記ステータ（６）の長さが相互に異なることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の波力装置。
11. 前記ロータが前記ステータより長いことを特徴とする、請求項１０に記載の波力装置。
12. 一つ又はそれ以上のガイド要素（１６）が前記ロータ（７）を規制するように構成されることを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の波力装置。
13. 前記接続手段（４）の一部分が可撓性であることを特徴とする、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の波力装置。
14. 前記接続手段がケーブル、ワイヤ、又はチェーンを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の波力装置。
15. 前記ロータに力を加えるように配設されたばね手段（１１）を含むことを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の波力装置。
16. 前記ばね手段のばね率が調整可能であることを特徴とする、請求項１５に記載の波力装置。
17. 前記接続手段の長さが調整可能であることを特徴とする、請求項１ないし１６のいずれか一項に記載の波力装置。
18. 前記浮体の運動と前記ロータの運動との間の歯車比を生成する歯車機構を備えることを特徴とする、請求項１ないし１７のいずれか一項に記載の波力装置。
19. 前記接続手段が前記ロータと接合する場所に前記歯車機構が配設されることを特徴とする、請求項１８に記載の波力装置。
20. 前記リニア発電機が海底／湖底に載置されるように構成された台板に固定されることを特徴とする、請求項１ないし１９のいずれか一項に記載の波力装置。
21. 前記ステータが前記台板に固定されたスタンドに支持され、それが充分な横断面寸法の中央自由空間を形成してロータを前記空間内に入れることができるように設計され、前記空間が少なくとも前記ロータの長さと同じ高さであることを特徴とする、請求項１ないし２０のいずれか一項に記載の波力装置。
22. 前記リニア発電機が水密ハウジング内に密閉されることを特徴とする、請求項１ないし２１のいずれか一項に記載の波力装置。
23. 前記接続手段が前記ハウジング内に延在し、かつ引込み口にシール又はベロースを設けることを特徴とする、請求項２２に記載の波力装置。
24. 前記ハウジングに液体を充填することを特徴とする、請求項２２に記載の波力装置。
25. 前記台板、スタンド及び／又はハウジングが主としてコンクリート製であることを特徴とする、請求項１８ないし２４のいずれか一項に記載の波力装置。
26. 前記ステータが少なくとも部分的に中実材料に埋め込まれ、及び／又は前記ロータが少なくとも部分的に中実材料に埋め込まれ、前記材料が好ましくはコンクリートであることを特徴とする、請求項１ないし２０のいずれか一項に記載の波力装置。
27. 前記ロータが中空であり、外側及び内側の両方に向けられた永久磁石を備え、前記積層スタックが前記ロータの外側及び内側の両方に配設されることを特徴とする、請求項１ないし２６のいずれか一項に記載の波力装置。
28. 前記浮体が接続手段によって複数のリニア発電機の各々のロータに接続されることを特徴とする、請求項１ないし２７のいずれか一項に記載の波力装置。
29. 前記ステータ巻線が整流器に接続され、前記整流器が好ましくは水面下で前記リニア発電機の近くに、適切な場合は前記ハウジングの内部に、配設されることを特徴とする、請求項１ないし２８のいずれか一項に記載の波力装置。
30. 前記発電機が可変周波数の電圧を生成するように構成されることを特徴とする、請求項１ないし２９のいずれか一項に記載の波力装置。
31. 前記発電機が多相電流を供給するように構成されることを特徴とする、請求項１ないし３０のいずれか一項に記載の波力装置。
32. 各波力装置の前記ステータ巻線が整流器（２２）を介して、複数の波力装置（２０ａ〜２０ｇ）に共通するインバータ（２３）に接続され、前記インバータが給電網（２５）にエネルギを供給するように構成されることを特徴とする、請求項１ないし３１のいずれか一項に記載の複数の波力装置（２０ａ〜２０ｇ）を含む波力プラント。
33. 少なくとも一つの開閉所が前記波力装置に接続され、前記開閉所が開閉装置構成要素を密閉した水密容器を含み、前記容器が海底に固定されることを特徴とする、請求項３２に記載の波力プラント。
34. 複数の開閉所が前記波力装置に接続され、各開閉所が複数の波力装置に接続されることを特徴とする、請求項３３に記載の波力プラント。
35. 各開閉所が陸上に配設された受電所に接続されることを特徴とする、請求項３３又は３４に記載の波力プラント。
36. 前記開閉所の少なくとも一つが昇圧器を含み、及び／又は中間所が昇圧器を含むことを特徴とする、請求項３３ないし３５のいずれか一項に記載の波力プラント。
37. 前記開閉所の少なくとも一つ及び／又は前記中間所が変換器を含むことを特徴とする、請求項３３ないし３６のいずれか一項に記載の波力プラント。
38. 前記開閉所の少なくとも一つ及び／又は前記中間所がエネルギを貯蔵する手段を含むことを特徴とする、請求項３３ないし３７のいずれか一項に記載の波力プラント。
39. 前記開閉所の少なくとも一つ及び／又は前記中間所が送電及び／又は受電電流及び電圧をフィルタするためのフィルタ手段を含むことを特徴とする、請求項３３ないし３８のいずれか一項に記載の波力プラント。
40. 前記開閉所の少なくとも一つ及び／又は前記中間所が非腐食性緩衝液を充填されることを特徴とする、請求項３３ないし３９のいずれか一項に記載の波力プラント。
41. フィルタ及び／又は変圧器が前記インバータの後に配設されることを特徴とする、請求項３２ないし４０のいずれか一項に記載の波力プラント。
42. 前記インバータ、フィルタ、及び／又は変圧器が陸上に配設されることを特徴とする、請求項４１に記載の波力プラント。
43. 各波力装置が、海底又は湖底に又はその近くに配設されたケーブルを介して、前記インバータに接続されることを特徴とする、請求項３２ないし４２のいずれか一項に記載の波力プラント。
44. 請求項１ないし３１のいずれか一項に記載の波力装置、又は請求項３２ないし４３のいずれか一項に記載の波力プラントの発電のための使用。
45. 浮体をリニア発電機のロータに接続し、前記発電機のステータを海底又は湖底に固定することによって発電するための方法であって、前記ロータが永久磁石であり、前記ステータが前記ロータの運動方向に分布する複数の極を形成する巻線を備えることを特徴とする発電方法。
46. 請求項１ないし３１のいずれか一項に記載の波力装置を使用しながら前記方法を利用することを特徴とする、請求項４５に記載の方法。
47. 前記ステータが海底又は湖底に直接、又は底に載置された台板上に配置され、かつ前記発電機の下の海底に中心を合わせて凹所が形成され、前記凹所の深さが前記ロータの長さに一致することを特徴とする、請求項４５ないし４６のいずれかに記載の方法。
48. 生成されたエネルギが開閉所に伝送され、前記開閉所の構成要素が水密容器内に配設され、前記容器が海底に固定されることを特徴とする、請求項４５ないし４７のいずれか一項に記載の方法。
49. 前記開閉所が陸上に配設された受電所内に密閉されることを特徴とする、請求項４８に記載の方法。
50. 複数の開閉所が共通中間所に接続され、前記中間所が前記受電所に接続されることを特徴とする、請求項４９に記載の方法。
51. 前記開閉所の少なくとも一つの及び／又は中間所が水面下に、好ましくは海底の近くに配設されることを特徴とする、請求項４８ないし５０のいずれか一項に記載の方法。
52. 生成された電圧が前記開閉所の少なくとも一つ及び／又は前記中間所で昇圧されることを特徴とする、請求項４８ないし５１のいずれか一項に記載の方法。
53. 前記開閉所の少なくとも一つ及び／又は前記中間所からの送電電圧が交流電圧であることを特徴とする、請求項４８ないし５２のいずれか一項に記載の方法。
54. 構成要素が標準的な均一型の複数のステータモジュールを含み、前記ステータモジュールが任意の個数を前記ロータの運動方向に相互に一列に配設するのに適しており、及び／又は任意の個数を前記ロータの中心線の周りに並んで分布するように配設するのに適していることを特徴とする、請求項１ないし３１のいずれか一項に記載の波力装置用のリニア発電機を製造するための一式の構成要素。
55. 前記構成要素が標準的な均一型の複数の永久磁石を含み、前記磁石が任意の個数を前記ロータの運動方向に相互に一列に並べてロータ本体に取り付けるのに適しており、及び／又は任意の個数を前記ロータの中心線の周りに並んで分布する状態にロータ本体に固定するのに適しており、前記永久磁石がステータモジュールに適していることを特徴とする、請求項５４に記載の一式の構成要素。
56. 前記ステータが標準的な均一型のステータモジュールから製造され、前記ステータが前記ロータの中心線の周りに並んで均等に分布する状態に配設された複数の積層スタックから構築され、各積層スタックが前記ロータの運動方向に相互に一列に並べて配設された一つ又はそれ以上のステータモジュールから成ることを特徴とする、請求項１ないし３１のいずれか一項に記載の波力装置用のリニア発電機を製造する方法。
57. 前記ロータが標準的な均一型の永久磁石から製造され、複数の永久磁石が前記ロータの中心線の周りに並んで均等に分布する状態にロータ本体に取り付けられ、一つ又はそれ以上の永久磁石が前記ロータの運動方向に相互に一列に並んで固定されることを特徴とする、請求項５６に記載の方法。
    
    

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