JP2009533600A - 海の波動エネルギーの多重利用および補足的な変換 - Google Patents

Abstract

それに沿って浮上体（１）が移動する上下方向ガイド構造（１２）と、前記浮上体（１）によって持ち上げられてガス（３）を捕捉している第１の水中のタンク（２）と、を備える海の波動エネルギーを多重に利用しかつ補足的に変換するシステムは、前記浮上体（１）に取り付けられてガス（３）を捕捉している第２水中タンク（５）をさらに備え、前記第１のタンク（２）および第２の水中タンク（５）は、波動によって生じる水柱（４）の圧力変化によってそれらがガス容積（３）を交換するように互いに接続されて、このシステムのエネルギー利用能力を高めている。

Description

本発明は、海の波動エネルギーの多重利用および補足的な変換のためのシステムに関する。

海底で錨に固定されあるいはバラストが積まれた浮上体に作用する浮力を利用して、海の波動からエネルギーを発生させるシステムは公知である。浮力の作用によって浮上体が行う作動ストロークは、エネルギーを得るために用いられる。

浮力によるエネルギーを利用するそのような単純なシステムは、パワーを得るために用いるストロークが作動のために充てられるストロークを比例的に減少させるという不利な点を有している。このため、浮力ジェネレーターの能力は、高さ、長さ、および１分あたりの波動の頻度の影響を受ける浮上体の寸法によって常に制約される。

浮力を利用するエネルギー発電システムはクリーンで簡単なシステムであるが、必要な寸法および低いエネルギー利用性を考慮すると、これまでのところあまり競争力がない。これらは、設備を有益なものとするために、エネルギーの利用性および変換の著しい増加を必要としている。

スペイン特許ＥＳ２２２４８３２は、海の波動エネルギーの多重利用および補足的な変換のためのシステムを記載しているが、このシステムは、浮上体に作用する波動の実際の衝撃によるエネルギー利用に加えて、その底部が開口していて浮上体とは反対方向に動く水中タンク内の捕捉空気に作用する水圧によるエネルギーの利用を可能としていて、他のシステムよりも有利なものとなっている。

上述した特許に記載されているシステムにおける、浮上体と水中タンクとの間の補足的な作用は、それが支えている水圧の変化によってタンク内に収容されている捕捉空気の圧力が変化することにその源を有する作用であり、エネルギーの補足的な変換であることを示している。この補足的な変換は、上昇および降下の両方において波動ストロークの全体にわたって力の強度を増加させる傾向があり、これにより浮上体の有効な仕事ストロークが増加し、それに伴うシステムのエネルギー利用能力が高まる。

しかしながら、水の動きによって解消される必要がある上述した特許のシステムの水中タンクに生じる大きな慣性は、エネルギー利用を高める能力を大幅に減少させる大きな流体力学的損失であることをそれ自体が示している。したがって、このシステムは改善する必要がある。

本発明の目的は、現状技術のシステムにおける流体力学的な損失を極力減少させるとともに、エネルギー利用を高める能力の大きな損失を含むことなしに、海の波動エネルギーを多重利用しかつ補足的に変換するシステムを提供することにある。

本発明のシステムは、浮上体と、システムの動きを空気、電気、あるいは液圧のエネルギーに変換する手段と、前記エネルギーを堅い陸地あるいは構造に伝達する手段と、それに沿って前記浮上体が動く上下方向ガイド構造と、前記浮上体に支持されつつ前記上下方向ガイド構造に沿って移動可能な、その下側ベース部が開口してガスを捕捉している第１の水中タンクと、前記浮上体の動きを前記第１の水中タンクに伝達する手段と、を備え、前記浮上体および前記第１の水中タンクは、前記水中タンクの動きが前記浮上体の動きとは反対方向となるように構成され、前記浮上体および前記第１の水中タンクの動きは、この動きを伝達する手段を介して、前記動きを空気、電気あるいは液圧のエネルギーに変換する手段へと伝達される。そして、このシステムの特徴は、その下側ベース部が開口しており、かつガスを捕捉している第２の水中タンクを備え、この第２の水中タンクが前記浮上体と同一方向に動くように前記浮上体に一体的に取り付けられている点と、前記第１の水中タンクおよび前記第２の水中のタンクが、波動によって生じる水柱の圧力変化の影響により、それらが各ガス容積を交換するように互いに接続されている点にある。

望ましくは、捕捉されているガスは空気である。

上述した２つの水中タンクの存在がこのシステムに与える基本的な影響は、このシステムのエネルギー利用を高める能力に否定的な影響を及ぼすことなしに、波動の衝撃によって生じる水の動きの慣性によるパワー損失の減少を可能とする点にある。

説明した効果は、両方の水中タンクが波動の影響下で互いに反対方向に動くように相互に接続されていて、波動によって生じる水柱圧力変化と、空気の容積の交換または移送とが両方とも重複しているという事実による。このことは、上昇および降下の両方において、互いに加えられるとともにその全部が浮上体に伝達される力が各タンクに発生し（上向きの推力および下降する質量）、したがって浮上体に直接的に作用する浮力を同一の強度で補足するという特別な特徴を有している。

したがって、現状技術においては浮上体と容積が変化する単一の水中タンクとの間で行われている補足作用は、相互に接続された２つの水中タンクによって行われ、その結果として水の動きの慣性によるパワー損失が大幅に減少し、エネルギー出力の歩どまりが非常に大きくなる。

驚いたことに、本発明のシステムによると、例えば０．５メートル程度の波動といった非常に小さな波動で作動するときに、非常に高いエネルギー吸収能力を達成することができる。これにより、現状技術の他のシステムとは異なり、本発明のシステムは、波動は小さいが豊富にあり、かつエネルギーに対する要求が非常に高い、例えば地中海といった領域において現実性がある。

２つの水中タンクの存在は、水圧の変化に非常に高感度であることの利点をこのシステムに与え、その結果あらゆる小さな水面の変化が水圧を２倍にし、タンク間でのガス容積の交換に結びつく。したがって、実際に浮上体の作動ストロークの最初から発生した力がそれらの最大強度で作用し、浮力とシステムの作動を補足する。

本発明のシステムの一実施形態は、その下側ベース部が開口し、かつ上下方向ガイド構造に取り付けられた、ガスを捕捉している第３の水中タンクと、前記第１の浮上体に一体的に取り付けられた第２の浮上体と、を備え、前記第２の浮上体は、前記第１の浮上体と同時にかつ平行にその内側の液面上に浮かぶように前記第３の水中タンクの内側に収容され、波動によって生じる水柱の圧力変化の影響により、前記第３の水中タンクのガス容積が少なくとも一つの外側容器のガス容積と交換可能となっている。

上述した実施形態においては、第３の水中タンクの内側に収容されている浮上体が、海面上にある第１のブイあるいは浮上体と同時にかつ平行に第３の水中タンクの内側の水面上に浮かぶ、第２の水中ブイを構成する。これにより、前記第２の水中ブイは第２の容積利用表面を構成し、海面上に大型のブイを設ける必要なしに、このシステムの上下方向スピンドルに作用する浮力を増加させる。

周知のように、波動によってもたらされる可能な作動ストロークを浮上体が最大限に活用するために、浮上体の長さは海の所定の場所における平均的な波動の波長の５０％、すなわち波頭から波底までの長さを上回ってはらない。上述した実施形態において説明したように、その一つが海面にあり他の一つが水中にある２つのブイあるいは浮上体を２つの高さ位置に配置することは、波動によってもたらされる全ストロークを最大限に活用できるという利点があり、同時に海面にある大きくて短いストロークのブイまたは浮上体に等しい浮力作用表面を維持する。

説明した実施形態の他の利点は、このシステムが、推力あるいは質量仕事の形態の３つの浮力アクチュエータを、単一スピンドルの３つの高さ位置に有しているという事実に基づいている（海面の第１の浮上体、水中にある第２の浮上体、第１および第２の水中タンクが一緒に構成するアクチュエータ）。

本発明の他の実施形態によると、前記外部容器は、このシステムの少なくとも一つの隣接するモジュールに設けられてガスを捕捉している、前記第３の水中タンクに相互に接続された少なくとも他の第３の水中タンクであり、隣接するモジュールもまた第１の浮上体とガスを捕捉している第１および第２の水中タンクとを備える。

この実施形態は、捕捉されているガスの移送が、それぞれがこのシステムの一つのモジュールに帰属している少なくとも２つの第３の水中タンクの間で実行されて、ガスの即時的かつ連続的な移送（したがって、水位の迅速でほとんど摩擦のない変化）および各モジュールの上述したタンク内における水中ブイのそれぞれの動きを促進するという利点を有している。

実際に、海が穏やかな間には、第３タンクの内部のガス／水のレベルは、各モジュールにおいて同じである。しかしながら、海の動きにより、各モジュールの内部のガス／水のレベルは、波動作用の影響下において海面の変化と同時にかつ平行に変動する。このことは、一方のタンクから他方のタンクへのガス交換、それによって各モジュールの第３タンク内に収容されているブイまたは水中浮上体のほとんど摩擦のない上昇および下降の動きを容易にする。

好ましくは、動きをエネルギーに変換する手段は、前記上下方向ガイド構造より上にある構造内に設けられる。これにより、前記変換手段を海水による腐食の作用から分離し、それによってシステムの保守を容易にすることは非常に容易である。

また、好ましくは、前記動きを伝達する手段は、少なくとも前記第１の浮上体に一体的に取り付けられた歯付ラックと、前記上下方向ガイド構造よりも上方の構造に設けられた水密区画室内に配設されたいくつかの歯車とを有する。そして、前記歯付ラックの長さは前記歯車との噛み合いに適合している。したがって、この構成は、前記動きを伝達する手段に作用する海水の腐食作用を最小化する。

さらに好ましくは、前記動きをエネルギーに変換する手段は、少なくとも一つの発電機または空気圧ポンプあるいは液圧ポンプを有する。

図１、図２および図３は、本発明のシステムの第１の好ましい実施形態を示しているが、このシステムは、水面にある浮上体１と、海水４が流入できるようにその下側ベース部が開口している、空気３を捕捉している第１の半球形水中タンク２と、そのベース部が開口しておりかつその内部に空気３を捕捉している、同じ容量の第２の環状水中タンク５と、を備えている。

浮上体１は、ケーブル６および滑車７を介して半球形水中タンク２を、かつ棒８を介して第２の環状タンク５を支持している。第１タンク２および第２タンク５は、ケーブル９および滑車１０を介して互いに取り付けられるとともに、それに沿って可撓管１１が貫通しており、それを介してタンク２、５からの空気３の容積の交換が実行される。

浮上体１および水中タンク２、５は、滑車７、１０が取り付けられている上下方向ガイド構造１２に沿って上下方向に移動する。上下方向ガイド構造１２は、横方向の移動を防止するために、浮上体１および水中タンク２、５に張力を負荷してそれらを同軸に保持している。

上下方向ガイド構造１２は、チェーン１４および滑車１５を用いることにより、その下側部分が海底に配置されたいくつかのコンクリート建造物１３に固定され、これらは、極端な海の状況下においてのみ作動するとともに潮流を補償するための二重の重力固定システムを構成する。

上下方向ガイド構造１２は、その下側ベース部に補償プレート１６を有している。この補償プレート１６は、作動力の動的な固定体として作用し、浮上体１および水中タンク２、５の方向が変化するときにそれらの位置を維持するための助けとなる。

浮上体１および第２の環状タンク５は、棒８によって互いに一体に取り付けられていて、両方が動く方向は常に同じとなっている。他方、第１の水中タンク２は、滑車１０およびケーブル６、９を介して浮上体１および第２の水中タンク５に取り付けられており、浮上体１および第２の水中タンク５が動く方向に対して常に反対方向に動く。

したがって、波動作用の影響下において浮上体１が上昇しあるいは降下するときには、第２の水中タンク５および環状タンクもまた上昇しあるいは降下するが、第１の水中タンク２あるいは半球形タンクは降下しあるいは上昇する。

図示したように、浮上体１はスピンドル１７に一体的に取り付けられている。スピンドル１７は浮上体１の内側から、その両側が２つの車輪に噛み合っている歯付ラック（図示せず）へと取り付けられている。２つの車輪は、ラックに沿った浮上体１の動きを、一定の作動トルクを有する２つの軸の回転動きに変換する。この回転動きは、一方向の出力を有した回転インバータに伝達される。この回転インバータは、一つの駆動軸の動きおよび作動パワーを増幅器に伝達する。この増幅器の最終出力は、連続速度変換器によって調整されて増幅器に伝達され、その最終出力は限られた回転数の幅に回転を維持する連続速度変換器によって調整されて慣性はずみ車に伝達される。駆動軸の動きは、最終的に、波動のポテンシャルに応じて、１つ若しくは２つの発電装置、１つ若しくは２つの空気エネルギー圧縮器、海水を淡水化するための逆浸透膜を供給する１つ若しくは２つの液圧ポンプ、あるいは例えば水素を製造する装置を駆動する、１つ若しくは２つのスピンドルに伝達することができる。

説明した実施形態において、歯車は、機械的な伝達システムの他の構成要素および動きをエネルギに変換するシステムの構成要素と共に、図示しない外側構造に設けられた水密区画室内に取り付けられている。これらの構成要素は、海水による直接的な腐食作用から保護されている。

注目したように、説明したシステムは、現状技術のエネルギーの多重利用および補足的な変換の改良を構成し、このシステムの水の質量動きによって生じる流体力学的な損失の減少を追求する。

この目的を達成するために、添付の図面から判るように、２つの水中タンク２，５は可撓管１１によって相互に接続されており、それを介して水中タンク２、５間における空気３の移送が実行される。

図１に示したように、海が穏やかな状態にあるときには、両方の水中タンク２、５内の水／空気のレベルは同じである。

波の位置が波頭にあるときには（図２）、海の波動エネルギーによって浮上体１が駆動されて上昇し、その動きはケーブル６および棒８を介して両方の水中タンク２、５に伝達される。第１の半球形タンク２は、浮上体１とは反対方向に動き、この結果、浮上体１が上昇すると水中タンク２は水面から離れるように動く。この結果、作用する水圧が増加し、収容されて捕捉されている空気３は、浮上体１への取り付けを維持している棒８によって引っ張られて水面に向かう第２の環状タンク５へと移動する。

波動が上昇する間に生じる空気３の第２の環状タンク５への移送は、両方のタンクに力を生じさせ（半球形タンク２の重量を増加させ、かつ環状タンク５の推力を増加させ）、その力はケーブル６および棒８を介して浮上体１に伝達されて、波動の衝撃（浮力）によって生じる推力パワーに追加される（補足される）。

波の位置が波底にあるときには（図３）、浮上体１は波動の影響によって下降し、棒８によって取り付けられている環状のタンク５もまた下降する。環状タンク５に水柱４の圧力が作用すると、そこに収容されている空気３は半球形タンク２へと移送される。半球形タンク２は、それに取り付けられているケーブル６および滑車７によって引っ張られて海面に向かって上昇する。

波動が降下する間に生じる第１の半球形タンク２に向かう空気３の移送は、両方のタンクにいくらかの力を生じさせる（半球形タンク２における推力の増加、および環状のタンク５の重量の増加）。それらの力は、ケーブル６および棒８を介して浮上体１に伝達され、波動の下降によって生じるパワー（浮上体の質量）に追加される（補足される）。

波動が上昇しかつ下降する間にシステムによって実行される有効仕事が増加することを示す、現状技術においては浮上体１と単一の水中タンクとの間に作用するこの補足的な作用は、本発明においては水の動きの慣性によって生じる出力損失の大幅な減少を可能とするように構成された浮上体１と２つの相互に接続された水中タンク２、５との間に作用し、その結果、このシステムのエネルギー出力は大幅に増加する。

図４、図５および図６は、本発明の第２の好ましい実施形態を示しているが、そこにおいては、上下方向ガイド構造１２に固定的に取り付けられた第３の水中タンク１８が、浮上体１と水中タンク２、５との間に設けられている。第３の水中タンク１８もまたその内部に捕捉空気３を収容しており、かつベース部が開口しているが、第１の浮上体１と平行にかつ同時に水面に浮かぶとともにスピンドル１７および周囲の棒２０によって第１の浮上体１に取り付けられた第２の浮上体１９をその内部に有しているという、特殊な構成となっている。

図４、図５、図６から分かるように、第３の水中タンク１８は２つの上部開口２１を有しており、そこを介して外側容器（図示せず）あるいはこのシステムの隣接するモジュールに設けられている第３の水中タンク１８へと空気３を移送することができる。

第３の水中タンク１８が収容している捕捉空気は、その体積が最高でタンク容積の５０％を占めるように適正な圧力となっている。したがって、収容されている第２の浮上体１９は、波動によって生じる表面圧力レベルおよび水圧の変化を利用して、第１の浮上体と同時にかつ平行に動くことができる。

本発明の明細書において注目したように、第２の水中浮上体１９は、第２のブイ、あるいは空気の圧力によって伝達される海の波動の力が作用する浮力表面、したがって単一のスピンドル１７に作用する仕事を増加させる第２の水面を構成する。したがって、２つの小さな浮上体１、１９によって波動の可能ストローク（波頂／波底）を最大限に活用し、波動の全体にわたって動かすことがかなり困難である大きな寸法の単一の外側ブイによって得られるよりも大きなストロークによって、同一の浮力表面を得ることができる。

説明した実施形態において、浮上体１、水中浮上体１９および第２の環状タンク５は、スピンドル１７、周囲の棒２０および棒８ａによってそれぞれが一体的に取り付けられていて、その全部が同一方向に動く。他方、半球状の水中タンク２は反対方向に動く。ケーブル６、９および滑車７、１０によって浮上体１および第２の環状タンク５に取り付けられているからである。

海が穏やかな状態では（図４）、第３の水中タンク１８の内部の水／空気のレベルは中間の高さに保たれ、かつ水中浮上体１９も第３の水中タンク１８の中間位置にある。

しかしながら、海水が動くと（図５、図６）内部の水／空気のレベルが変化し、一方の第３の水中タンク１８から隣接したモジュールに設置されている他方のタンクあるいは外側容器への空気３の交換が促進され、これにより第３の水中タンク１８に収容されている各水中浮上体１９のほとんど摩擦のない上方および下方への動きを容易にする。

図５から判るように、波動の頂部においては、それが取り付けられている浮上体１への衝撃によって水中浮上体１９が上昇し、隣接するモジュールの第３の水中タンク１８ａ（図６）へと空気３を移送することになる。隣接するモジュールにおいては、浮上体１が波動の底部にあり（図６）、それが取り付けられている浮上体１によって水中浮上体１９が押し下げられるから、波動の頂部にあるモジュールの第３の水中タンク１８ａから空気３を受け入れることになる。

相互に接続された第３の水中タンク１８ａ，１８ｂの各空気容積３の即時的かつ連続的な移送は、ほぼ摩擦のない水中ブイあるいは各モジュールの水中浮上体１９の浮力作用を可能とする。

驚くべきことに、図４、図５および図６の実施形態で説明した本発明のシステムは、現状技術のシステムに比較すると最大エネルギー出力を達成するという利点がある。一方では浮力の作用を２倍にし、他方では波動の間に実行される仕事の実際的な効率を高めるからである。その全ては、単一のスピンドル上の３つの高さ位置にある推力あるいは質量仕事の形態の３つの浮力アクチュエータ（水面にある第１の浮上体、第２の水中浮上体、および第１および第２の水中タンクによって構成されるアクチュエータ）の存在のおかげである。

システムが穏やかな海にあるときに対応する、第１の浮上体と第１および第２の水中タンクとを備える本発明のシステムの第１の好ましい実施形態の概略立面図。 波頭にあるときに対応する、本発明のシステムの第１の好ましい実施形態の概略立面図。 波底にあるときに対応する、本発明のシステムの第１の好ましい実施形態の概略立面図。 システムが穏やかな海にあるときに対応する、第１の浮上体と第１および第２の水中のタンクに加えて、第２の浮上体および第３の水中タンクを備える本発明のシステムの第２の好ましい実施形態の概略立面図。 波頭にあるときに対応する、第１の浮上体と第１および第２の水中のタンクに加えて、第２の浮上体および第３の水中タンクを備える本発明のシステムの第２の好ましい実施形態の概略立面図。 波底にあるときに対応する、第１の浮上体と第１および第２の水中のタンクに加えて、第２の浮上体および第３の水中タンクを備える本発明のシステムの第２の好ましい実施形態の概略立面図。

Claims (6)

1. 海の波動エネルギーを多重利用しかつ補足的に変換するシステムであって、
   浮上体（１）と、
   このシステムの動きを空気、電気、あるいは液圧のエネルギーに変換するための手段と、
   前記エネルギーを堅い陸地あるいは構造に伝達するための手段と、
   それに沿って前記浮上体（１）が移動する上下方向ガイド構造（１２）と、
   その下側ベース部が開口しており、前記浮上体（１）によって支持されるとともに、前記上下方向ガイド構造（１２）に沿って動くことができる、ガス（３）を捕捉している第１の水中タンク（２）と、
   前記浮上体（１）の動きを前記第１の水中タンク（２）に伝達する手段（６、７）と、を備え、
   前記浮上体（１）および前記第１の水中タンク（２）は、前記第１の水中タンク（２）の動きが前記浮上体（１）の動きと反対となるように構成され、
   かつ前記浮上体（１）および前記第１の水中タンク（２）の動きが、動きを伝達する手段（１７）を介して前記動きを空気、電気あるいは液圧のエネルギーに変換する手段に伝達されるように構成されているシステムにおいて、
   その下側ベース部が開口してガス（３）を捕捉している第２の水中タンク（５）を備え、
   前記第２の水中タンク（５）は、それが前記浮上体（１）と同じ方向に動くように前記浮上体（１）に一体的に取り付けられ、
   かつ前記第１の水中タンク（２）および前記第２の水中タンク（５）は、波動によって生じる水柱（４）の圧力変化の影響により、それぞれがそのガス（３）の容積を交換するように互いに接続されていることを特徴とするシステム。
2. 前記上下方向ガイド構造（１２）に取り付けられ、その下側ベース部が開口するとともに、ガス（３）を捕捉している第３の水中タンク（１８、１８ａ、１８ｂ）と、
   前記第１の浮上体（１）に一体的に取り付けられた第２の浮上体（１９）と、を備え、
   前記第２の浮上体（１９）は、前記第１の浮上体（１）と同時にかつ前記第１の浮上体（１）と平行にその内部の水面上に浮かぶように前記第３の水中のタンク（１８、１８ａ、１８ｂ）の内側に収容されており、
   前記第３の水中タンク（１８、１８ａ、１８ｂ）のガス（３）の容積は、波動によって生じる水柱（４）の圧力変化の影響により、少なくとも一つの外部容器のガス（３）の容積と交換可能となっていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記外部容器は、このシステムの少なくとも一つの隣接するモジュールに設けられて前記第３の水中のタンク（１８、１８ａ、１８ｂ）と相互に接続されている、少なくとも一つの他の第３の水中タンク（１８、１８ａ、１８ｂ）からなり、
   前記隣接するモジュールも同様に前記第１の浮上体（１）と前記第１および第２の水中タンク（２，５）とを有していることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記動きをエネルギーに変換する手段が、前記上下方向ガイド構造（１２）より上方の構造に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記動きを伝達する手段は、少なくとも前記第１の浮上体（１）に一体的に取り付けられた歯付ラックと、前記上下方向ガイド構造（１２）より上方の構造に設けられた水密区画室内に配設されているいくつかの歯車とを有し、
   前記歯付ラックの長さは、前記歯車に噛み合うのに適していることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 前記動きをエネルギーへ変換する手段は、少なくとも一つの発電機、空気圧ポンプあるいは液圧ポンプを有していることを特徴とする請求項４に記載のシステム。

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