JP2009518568A - 内部反動質量及びバネを用いた波力エネルギ変換器 - Google Patents
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Abstract
【選択図】なし
Description
・フロートとスパーとの間のベアリングが、水中で動作することを必要として海洋生成物、汚染物質及び腐食にさらされるため、複雑且つ高価である。
・パワーテイクオフ装置及びそのベアリングが、水中で動作することを必要として海洋生成物、汚染物質及び腐食にさらされるため、複雑且つ高価である。
・内蔵されたPTOにフロートを結合する機械的結合が、海洋生成物、腐食及び汚染物質にさらされる。
・波力及び粘性減衰がフロート及びスパーが互いに相対移動できる範囲を制限するため、エネルギ集積の可能性を減らす。「point absorber」型のWECの効果が、水の粘性減衰によって多くの場合制限される。
・WECのための水及び波と直接接触する2又はそれ以上の物体から成る係留(固定)システムの構造が、多くの場合複雑である。
上記の問題のいくつかが認められており、例えば、(1)Temeev,A.、Antufyev,B.、及びTemeev,S.による「Simulation of Oscillatory Drive for Float Wave Energy Converter」と題されるFifth European Wave Energy Conference Proceedings,Hydraulics & Maritime Research Centre,Cork,Ireland,pp.386−391,2003で議論され、及び(2)French,M.J.及びBracewell,R.H.による「Heaving Point− Absorbers Reacting Against an Internal Mass」と題されるHydrodynamics of Ocean Wave−Energy Utilisation,Lisbon,Portugal,Springer−Verlag,pp247−55,1985で議論されているように、従来技術で扱われている。これらの参考文献で示唆されているように、上記の問題のいくつかは、波によって動作する「フロート」と、フロートの中に全体的に収容された「反動」質量と、フロートに反動質量を結合するバネ及びパワーテイクオフ装置とを具えたWECを構成することによって克服する可能性がある。このようなタイプのシステムでは、密閉された質量(m)が、フロートに結合されたバネから垂下又はバネに支持され、WECの所望の固有周期(Tn)を与えるようそのバネ定数(k)が調整される。
式1は、静止状態において、反動質量の(m・g)下向きの力がバネの上向きの力(k・x)に等しいことを示している。式2は、質量(m)及びバネ定数(k)を選択して卓越波の振動数に近い固有振動振動数をバネ質量振動子に与え得ることを示しており;Tnは、波の振動数に等しい。
バネ質量システムを4秒の周期(T)に調整する場合、バネの長さ(x0)は約4メートルである。バネ質量システムを8秒の周期(T)に調整する場合、バネの長さ(x0)は約16メートルである。フロートの中にこのような大きなバネを製造且つ設置すると多くの問題を与える。
式1は、静止状態において、反動質量の(m・g)下向きの力がバネの上向きの力(k・x)に等しいことを示している。式2は、質量(m)及びバネ定数(k)を選択して卓越波の振動数に近い固有振動数をバネ質量振動子に与え得ることを示している。
となる。バネ質量システムを4秒の周期(T)に調整する場合、バネの長さ(x0)は約4メートルである。バネ質量システムを8秒の周期(T)に調整する場合、バネの長さ(x0)は約16メートルである。
図6は、物理的なバネを油圧シリンダ70と油圧アキュムレータ80との組み合わせで代えたものを示す。このように、大きなアキュムレータに結合された油圧シリンダを使用可能である(図6参照)。3つの代替的な油圧システム構成を図10a,10b及び10cに示す。図6及び図10aに示すような最も単純な構成では、油圧シリンダ(70)が反動質量(20)とフロート(10)との間に設けられている。油圧シリンダ(70)の1つのポート(71)が油圧アキュムレータ(80)に接続されている。(図10b及び10cに示すように、より良好な又は滑らかな動作のために油圧シリンダと油圧アキュムレータとの他の相互接続を成し得る。)所望の初期変位及び弾力性(すなわち、有効バネ剛性)を生じる方法で、アキュムレータの大きさ及び予充填を選択できる。アキュムレータの容量は弾力性を決定する。アキュムレータの予充填圧力が、機械的に負荷をかけた油圧シリンダの初期変位を決定する。
K=反動質量Mとともに選択して、卓越波の周期に近い固有振動周期を与えるバネ定数(式2を参照)。
M=バネ定数Kとともに選択して、卓越波の周期に近い固有振動周期を与える反動質量(式2を参照)。
L=反動質量のストローク(又は移動距離)
g=重力加速度(9.8m/s2)
F0=静水の油圧シリンダにかかる力
F1=反動質量が上死点(top of stroke)にある場合の油圧シリンダにかかる力
F2=反動質量が下死点(bottom of stroke)にある場合の油圧シリンダにかかる力
P0=静水状態の油圧シリンダ及びアキュムレータにかかる圧力
P1=反動質量が上死点にある場合の油圧シリンダ及びアキュムレータにかかる圧力
P1=反動質量が下死点にある場合の油圧シリンダ及びアキュムレータにかかる圧力(例えば、3000psi又は180bar)
V0=静水状態の油圧アキュムレータの中のガスの容量;アキュムレータにガスを充填又は予充填して所望の結果を得ることに留意されたい。
V1=反動質量が上死点にある場合の油圧アキュムレータの中のガスの容量
V2=反動質量が下死点にある場合の油圧アキュムレータの中のガスの容量
ΔV=反動質量の最大ストロークにおける油圧シリンダのガス容量の変化
図7及び図7Aは、従来のコイルバネ又は板バネをトーションバネに代え得ることを示す。図7では、反動質量(20)がガイドレール(13)によって鉛直方向に案内される。これらのガイドレール(13)は、反動質量(20)が上下動する際に反動質量(20)が回転しないようにする。反動質量(20)は、回転トルク及び速度にリニアの力及び速度を変換する変換機構に取り付けられている。ボールネジがこのような変換装置のうちの1つである。反動質量(20)が上下動する際に変換器が回転する。発電機が変換器に取り付けられている。質量が上下動すると、変換器が時計方向及び反時計方向に回転し、電力が発生する。また、図7では、1又はそれ以上のトーションバネが変換器に取り付けられている。バネのトルク定数が選択されて、卓越波の周期に近い固有周期をWECに与える所要のバネ定数Kを与える。反動質量(20)の直線運動の範囲を、トーションバネの角運動の範囲が非常に大きくなるようにすることが可能である。このようなケースでは、トーションバネの所要の運動範囲を減らすように、リニア回転装置(例えば、ボールネジ)間にギヤボックス(例えば、図7の符号726)を挿入することが可能である。図7Aはこのような構成を図式的に示す。トーションバネの所要の運動範囲を減らすと、トーションバネが強くなる(例えば、トーションバネの単位変位定数当たりのトルクが増加する。)。
本発明を実施するためのシステムでは、WECが水面上を浮いて通過波による浮力の変化に応答するように、WECが「正の」システムの浮力を有してよい。エネルギ変換をもたらす運動を妨げないようにしつつ関心のある範囲にWECを保持するタイプの係留装置とともにWECを設置してもよい。WECが水塊のボリュームの中にとどまって通過波による流体力学上の圧力の変化に応答するように、WECが「釣り合う」システムの浮力を有してよい。このようなケースでは、WECが所望の深さに確実にとどまるようにするためのタイプのシステムとともにWECを配置する。WECを所望の深さにとどまらせるこのようなシステムはアクティブ(例えば、深さ検出器及び調整可能なバラストタンクを具えたシステム)でよく、あるいは、それはパッシブ(例えば、海底に向けて垂れるチェーン)であってもよい。
図8は、反動質量、バネ定数及びPTOダンピングの1つの組み合わせに関するコンピュータ・シミュレーションの結果を示す。最上段の波形(A)では、波の振幅を越える反動質量の運動の振幅を示す。2番目の波形(B)は、フロートに対する反動質量の速度を示す。3番目の波形(C)は、パワーテイクオフユニットに加えられる反動質量の力を示す。4番目の波形(D)は、本発明を実施するWECによって発生する瞬時電力を示す。
Claims (22)
- 波力エネルギ変換器(WEC)システムであって、
水塊の波動運動に応答するシェルと、
反動質量と、前記シェルに前記反動質量を結合するためのバネ機構とを有する内部振動子であって、前記シェルの中に取り付けられ、前記シェル及び前記内部振動子が波浪状態にさらされる水塊の中に設置された場合に前記シェルに対して位相差を有して相対運動する内部振動子と、
前記シェルと前記内部振動子との間に結合され、それらの相対運動を電気エネルギに変換するパワーテイクオフ(PTO)装置とを具え、
前記PTO及び前記内部振動子が、前記水塊から全体的に隔離されるように、前記シェルの中に設置されており、
前記バネ機構が、前記バネ機構の有効直線変位が前記反動質量の直線変位よりも小さくなるように、前記反動質量に結合されていることを特徴とするシステム。 - 前記バネ機構の直線変位の減少により前記シェルの大きさを減少し得ることを特徴とする請求項1に記載のWEC。
- 前記バネ機構がブロック及びテークルプーリシステムを有することを特徴とする請求項1に記載のWEC。
- 前記バネの変位を減少し得るように前記バネ機構の有効剛性を増やすことを特徴とする請求項1に記載のWEC。
- 前記バネ機構がアキュムレータに結合された油圧シリンダを有することを特徴とする請求項1に記載のWEC。
- 前記アキュムレータにガスが充填されていることを特徴とする請求項5に記載のWEC。
- 前記バネ機構がシザー機構(scissor mechanism)を有することを特徴とする請求項1に記載のWEC。
- 前記バネ機構が片持ち梁を有することを特徴とする請求項1に記載のWEC。
- 前記バネが直線的に動作するように、前記バネが定常平衡状態で前記片持ち梁を水平にする点でシェルに取り付けられていることを特徴とする請求項8に記載のWEC。
- 前記バネ機構がアキュムレータに結合された空気シリンダを有していることを特徴とする請求項1に記載のWEC。
- 前記バネ機構がトーションバネに結合されたボールねじを有していることを特徴とする請求項1に記載のWEC。
- 前記トーションバネがギヤボックスによって前記ボールねじに結合されていることを特徴とする請求項11に記載のWEC。
- 前記PTO装置が前記バネ機構の一部として機能することを特徴とする請求項1に記載のWEC。
- 前記内部振動子の固有振動数を波の振動数に近似するよう調整することを特徴とする請求項1に記載のWEC。
- 前記反動質量が前記エネルギー貯蔵素子を有していることを特徴とする請求項1に記載のWEC。
- 前記反動質量が選択的に水を充填するチャンバを有していることを特徴とする請求項1に記載のWEC。
- 水塊の中に前記WECを設置した後に前記チャンバに水を充填することを特徴とする請求項16に記載のWEC。
- 波力エネルギ変換器(WEC)システムであって、
水塊の波動運動に応答するシェルと、
反動質量と、前記シェルに前記反動質量を結合するためのバネ機構とを有する内部振動子であって、前記シェルの中に取り付けられ前記シェルに対して位相差を有して相対運動するよう構成され、前記シェル及び前記振動子が、水塊の中に設置された場合に前記水塊の波に応答して、前記シェルと前記内部振動子との間に相対運動が生じるよう構成された内部振動子と、
前記シェルと前記内部振動子との間に結合され、前記シェルと前記内部振動子との間の運動を電気エネルギに変換するパワーテイクオフ(PTO)装置とを具え、
前記PTO及び前記内部振動子が、前記水塊から全体的に隔離されるように前記シェルの中に設置されており、
前記シェルが、水没し、前記PTO及び前記内部振動子を収容する耐水性の空洞を有するよう構成されていることを特徴とする波力エネルギ変換器(WEC)システム。 - 前記WECが、前記WECが釣り合った状態で水中にとどまり得るように、前記WECの浮力を調整するための部品を有することを特徴とする請求項18に記載のWEC。
- 波力エネルギ変換器(WEC)システムであって、
水塊の波動運動に応答するシェルと、
反動質量と、前記シェルに前記反動質量を結合するためのバネ機構とを有する内部振動子であって、前記シェルに結合され前記シェルに対して位相差を有して相対運動するよう構成され、前記シェル及び前記振動子が、前記水塊の中に設置された場合に前記水塊の波に応答して、前記シェルと前記内部振動子との間に相対運動が生じるよう構成された内部振動子と、
前記シェルと前記内部振動子との間に結合され、前記シェルと前記内部振動子との間の運動を電気エネルギに変換するパワーテイクオフ(PTO)装置とを具え、
前記バネ機構が、前記反動質量の所定の直線変位のために前記バネ機構の有効変位が前記反動質量の有効変位よりも小さくなるように形成されていることを特徴とするシステム。 - 水塊の波動運動に応答するシェルと、
反動質量と前記シェルに前記反動質量を結合するバネ機構との組み合わせであって、前記シェルの中に取り付けられて前記シェルに対して位相差を有して相対運動するよう構成され、前記シェル及び前記組み合わせが、前記水塊の中に設置された場合に前記水塊の波に応答して、前記シェルと前記組み合わせとの間に相対運動が生じるよう構成された組み合わせと、
前記シェルの中に設置され、前記シェルと前記反動質量との間に結合され、それらの相対運動を電気エネルギに変換するパワーテイクオフ(PTO)装置と、
前記バネ機構の有効変位が前記反動質量の直線変位よりも小さくなるように前記反動質量に結合されたバネ機構と、
を具えた波力エネルギ変換器(WEC)システム。 - 前記反動質量の質量及びバネ定数が、前記WECの所望の固有振動数を与えるよう調整されることを特徴とする請求項21に記載のWEC。
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