JP2009535565A - ヒーブ板を備える改良型波力エネルギー変換器（ｗｅｃ） - Google Patents

Abstract

フロート、スパー、及びスパーとフロートとの間に接続される電力取出装置（ＰＴＯ）を備える波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）の安定性及び電力変換効率は、ヒーブ板をスパーに非常に確実な方法で接続することによって、またフロートとスパーとの間の移動を一方向（すなわち、上下運動）に慎重に制限することによって高まる。浮力室がＷＥＣに取り付けられて、その輸送及び配備を容易にすることができる。ＷＥＣは、複数部分に分けて形成して配備点で又はその付近で組み立てることができる。

Description

本発明は、水塊（a body of water）に配置されると波の動きに応じて互いに対して移動することができる、水平のフロート（以下、「フロート」）と鉛直のほぼ円筒形のフロート（以下、「スパー」）とを有する、波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）ブイに関する。ＷＥＣは、機械的及び／又は電気的な適切なエネルギー形態を生み出すために、スパーとフロートとの相対運動に応答する動力取出装置（ＰＴＯ）を備える。

［関連技術の相互参照］
本発明は、「Wave Energy Converter (WEC) with Heave Plates」に対して２００６年５月１日に出願された仮出願第６０／７９６，３８８号から優先権を主張するものであり、当該仮出願の内容は参照により本明細書に援用される。

海洋における悪条件下で確実に動作することができる有用なＷＥＣシステムの製造には、多くの問題がある。波の力の振幅、周波数、及び方向の大きな変動は、ＷＥＣの安定性の維持、及びその効率的且つ確実な動作を困難にする。他の問題は、大型で重い傾向があるＷＥＣの輸送及び配備に関する。本発明を具現化するＷＥＣは、ＷＥＣの製造及び効率的動作に関するこれら及び他の問題を解決する手段を備える。

本発明を具現化するＷＥＣブイは、フロート及び細長いスパーを備える。フロート及びスパーのうちの一方は、波と概して同相で移動するように設計され、フロート及びスパーのうちの他方は、波と概して異なる位相で移動するように設計される。フロートとスパーとの間に接続されるＰＴＯは、それらの相対運動を電気エネルギー又は任意の他の形態の有用なエネルギーに変換するように設計される。通常、フロートが波と同相で移動するように設計され、スパーが波と異なる位相で移動するように設計される。

本発明は、水塊に配置されると波の運動に応じて互いに対して移動することができるフロート及びスパーを備える波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）内で、且つこれと共に用いるように適用可能である。ＷＥＣは、本出願の譲受人に譲渡されその教示が参照により本明細書に援用される米国特許第７，１４０，１８０号に記載及び特許請求されているタイプのものであり得る。しかしながら、本発明は、スパーの移動を制御するためにヒーブ板が取り付けられるスパーを有する任意の装置に適用可能であることを理解されたい。本出願は、本出願と同時に出願され同一の譲受人に譲渡される「Heave Plate Modified To Provide Increased Damping」と題する特許出願第 号の教示を、そのまま本明細書においても援用する。

本発明の一態様は、ＷＥＣが配置される水塊の波に応じたフロートとスパーとの相対運動を最適化するのに費用効率的な方法で、有効「質量」及び「ばね定数」を増減させることができるスパーの設計を含む。本発明によれば、１つ又は複数の「ヒーブ」板の中央が、水線よりも下でスパーの鉛直向きに対して概ね垂直にスパーに取り付けられる。ヒーブ板がスパーと共に上下移動することを確実にするために、ロッド、及び／又はケーブル、及び／又はビーム、及び／又はパイプが、ヒーブ板及びスパーの外周間に、且つ／又はヒーブ板及びスパーに沿って選択点間に接続されることで、片持ち状の突き出し及び／又は捩れによる問題を低減する。「ヒーブ」板には、スパーの鉛直運動の特性に対する２つの効果がある。一方の効果は、スパーとそれを囲む水柱との相対運動を妨げる抗力を提供することである。他方の効果は、ヒーブ板の上下で一定量の水を巻き込ませることで、事実上スパーに追加質量を加えることである。これらの２つの効果により、非常に異なる動的挙動が得られ、これらの間の相互作用を用いて中央スパーに所望の特性を与えることができる。

スパーに追加質量を加えることは、スパーの慣性を大きくし、その固有周波数を低下させるのに役立つため、ＷＥＣの電力変換特性にとって有益である。したがって、ヒーブ板を用いることによって中央スパーが波又はフロートの低い固有共振周波数（ＮＲＦ）よりも低い固有共振周波数を有するようになることで、電力変換が改善される。さらに、スパーの復原性浮力（restorative buoyancy）が、共振周波数に影響を及ぼす。復原性浮力を減らすことによってスパーの固有周波数が低下するが、この場合、復原性浮力は、浮遊構造の上下動の変位に応じて生じ、浮遊構造をその自然な喫水に戻そうとする静水圧力として定義され得る。ヒーブ板による抗力効果は、いくつかの要因、主に水柱中のヒーブ板の深さと主表面波の波長との比に応じて、益にも害にもなり得る。

本発明のヒーブ板は、スパーの有効質量を増やすのに費用効果的な解決手段とみなすことができる。

本発明の一実施の形態は、「リップ付き」構造又は鉛直構造を備えるヒーブ板をスパーに取り付けることを含む。リップ付き構造又は鉛直構造は、ヒーブ板の上面及び下面に沿って形成され得る。これらのリップを備えるヒーブ板には、少なくとも２つの利点がある。一方の利点は、これがスパーの有効質量を増やすことである。他方の利点は、リップがそのサイズ及び形状に応じて、相対鉛直運動に起因して生じる抗力を減らすことができることである。通常、リップは、ヒーブ板の周縁に沿ってヒーブ板の平面に対して垂直上方及び／又は下方に延びるように形成される。リップのサイズ及び範囲によって、種々の所望の結果を得ることができる。

本発明を具現化するＷＥＣは、回転力及び揺さぶり力並びに種々の横方向の推力があるにもかかわらず、フロート及びスパーの相対運動が一方向に沿った（すなわち、配備時に上下の）移動に概ね制限されるようにフロートとスパーとを結合するガイド／軸受システムを備える。

選択される実施の形態では、スパーの上側部分の、スパーが水線及びフロートに対して垂直に上下移動する領域の断面を小さくして、その浮力又は「弾力性」を減らすことができる。スパーの復原性浮力を減らすことによって、スパーの固有周波数が低下する。

本発明を具現化するＷＥＣステムは、スパー及びフロートの方向を合わせ、ＷＥＣブイを配備及び回収しやすい向きにするために、浮力室及びバラスト装置を備え、激しい暴風雨条件に耐え抜くことを確実にする装置も備える。

フロート及びスパーの両方が移動することができる（すなわち、スパーもフロートも海底に繋留固定されていない）ため、係留システムが所定の区域内にＷＥＣブイを保持するように設計される。

本発明を具現化するＷＥＣシステムは、大きな潮差でのＷＥＣの動作を可能にする装置を備える。

図のいくつかに示すように、ＷＥＣブイは、フロート１００、スパー２００、及び電力変換システム３００という３つの主要要素を有する。スパー構成部品は、動力取出システムを支持してこれに反力を与えるための安定したプラットフォームを提供する鉛直向きの円筒形要素を含む。スパーは、円筒形要素であることが示されているが、そうである必要はなく、トラスシステムの一部であってもよい。

一実施の形態では、スパーは、全てのＰＴＯ及び電力変換機器のための浮力及びハウジングを提供するのに用いられる上側部分を有する。スパーの下側部分は、バラスト区画室及びヒーブ板を含む。スパーの長さ及び質量とヒーブ板とが、慣性及び安定性を提供して、通常よく見られる波周期で限られた運動応答をスパーに与える。

ＰＴＯ及び電力変換システムは、油圧機械リンク機構、発電機、コントローラ、及び電気機器を備え得る。リニア発電機（ＬＥＧ）を用いて、スパーとフロートとの間で生産された機械エネルギーを変換し、それを電気エネルギーに変換することもできる。一実施の形態では、全ての電力変換構成部品をスパー内に完全に収納されるように設計した。フロートの移動によって生じる直線運動は、油圧機器によって捕捉され、発電機器に接続されている流体ポンプ及び電動機を通じて回転力に変換され得る。代替的に、電力変換システムは、スパーの下側部分内に、且つ／又はフロートに沿って且つ／又はフロート内に位置付けてもよい。ＰＴＯがリニア発電機（ＬＥＧ）を備える場合、ＰＴＯは、フロートとスパーとの間に分配され得る。電力変換システムは、図示のようにスパー内に、又はフロート内に収納してもよく、且つ／又はフロートとスパーとの間に分配してもよい。

本発明を具現化するＷＥＣシステムでは、ＷＥＣは、水中ケーブル接続の必要をなくすために水線よりも上でスパー及び／又はフロートに取り付けられる電力ケーブルを有するように設計され得る。

概して一定の縮尺で描かれていない添付図面において、同様の参照符号は同様の構成部品を示す。

図１〜図８は、水線よりも下でスパーに中央が接続されている少なくとも１つの「ヒーブ」板を備えるＷＥＣを示す。ヒーブ板は、本明細書で用いられる場合、スパーに対して概ね垂直方向に延びる板を指す。図では、ヒーブ板は円形として示されている。しかしながら、スパーがこの板の表面の中央付近に位置付けられる限り、板は三角形であっても正方形であってもいかなる多角形であってもよいことを理解されたい。既に述べたように、ヒーブ板は、ＷＥＣの動作に重要な抗力（抵抗）特性及び付加質量（慣性）特性を提供する。したがって、フロートは、波の高周波数運動に応答するように設計されるが、ヒーブ板は、それよりもはるかに低い周波数の（より長い周期の）波動運動に応答することでスパーとフロートとの相対運動の差を大きくする特性をスパーに与える。

図１、図２、及び図３において、スパーの中間領域に装着され取り付けられるヒーブ板２０４ａと、スパーの下側又は底部分に装着され取り付けられるヒーブ板２０４ｂとがある。これらの図は、ヒーブ板をスパーに対して安定して概ね垂直に維持するために、ヒーブ板がスパーから下りるロッドによって、又はヒーブ板の外周から延びるケーブル、ビーム、パイプ、及び／若しくはロッドによってスパーに接続され得ることも示す。種々の図に示す構造の違いは、ヒーブ板を固定するため、並びに、フロート及びスパーを安定させるために異なる構造構成があり得ることを示す。図のいくつかに示すように、ヒーブ板とスパーとを相互接続する固定部材及び支持部材は、剛性要素であり、ボルト締め又は溶接によって強固に取り付けられる。他の図に示すように、ヒーブ板及びスパーは、重量、費用、及び抗力を減らすために予張力をかけられたロッド及び／又はケーブルを介して相互接続される。これらの張力及び予張力をかけられた要素は、様々な異なる方向からシステムに加えられる多くの異なる力に対抗するためにヒーブ板構造を張力モードに保つように構成される。

ヒーブ板は、スパーが上昇中に下降中と同様の応答をするように、スパーに対称的に配置され強固に接続固定されるものとして示されている。しかしながら、ヒーブ板は、板の表面を整形することによって、また、さらには上下するときの板の有効面積を制御することによって、押し下げられているとき（下降中）と比べて持ち上げられているとき（上昇中）に異なる応答をするように設計されてもよい。例えば、暴風雨条件下で海底に接近する浮遊式システムでは、ヒーブ板は、リムが海底の方に向いているように凹状に（コンタクトレンズのように）湾曲され得るため、浮体が海底の方に移動するときに抗力及び付加質量が大きくなることで、運動を妨げるのに役立つ。付加質量は、運動方向とは無関係であるように提供され得る。しかしながら、方向に応じて異なる付加質量特性を有するヒーブ板を作ることが可能である。例えば、ヒーブ板を通じて水を一方向に流すが他方の方向には流さないフラップ又は一方向弁が、ヒーブ板設計の一部として含まれてもよい。

ＷＥＣのいかなる部分も、海洋生物の成長及び腐食を遅らせるために塗装された鋼から作ることができる。しかしながら、ＷＥＣの一部は、費用又は重量、及び保守の必要を減らすために代替的な材料から作ることもできる。例えば、ヒーブ板は、その重量が懸念される場合にはガラス繊維から作製される場合がある。材料費を減らすためにフロート又はスパーの一部を海洋コンクリートから作製することも可能であるが、これは構成部品の重量を増やすことになるであろう。

図３は、ヒーブ板２０４ａ、２０４ｂそれぞれの上に位置付けられる浮力／バラストタンク３０１ａ、３０１ｂの存在を示す。浮力タンクは、ＷＥＣが配備されているときにシステムの浮上を制御するために用いられる。これらの浮力タンクは、後述するようにＷＥＣを輸送及び配備しやすくするためにも用いることができる。浮力タンクは、ヒーブ板の一部として、若しくはヒーブ板の上下のリップの一部として作られてもよく、又はヒーブ板の上若しくは下にある別個の構造である場合もあることに留意されたい。本発明を具現化するＷＥＣシステムは、性能を調整し、海洋生物の成長を補償し、且つブイ／ＷＥＣを配備及び回収しやすくするために、フロート、スパー、及びヒーブ板の一部として調整可能な浮力タンクを備え得る。

図３Ａは、別個に輸送してから、現場で又は配備現場付近で組み立てることができる種々の部分としてＷＥＣを形成することができることを示す。したがって、本発明を具現化するＷＥＣシステムは、保守及び／又は修理のためのＷＥＣの配備、取り付け、及び／又は取り外しを容易にするために、複数部分に分けて製造することができる。

図４は、下方に延びるトラス構造２０２を備えるスパー２００を示し、単一のヒーブ板２０４がトラス構造２０２の下端に装着されている。ヒーブ板２０４は、（図６及び図６Ａにより明確に示すように）上側リップ２０６ａ及び下側リップ２０６ｂを有する。ヒーブ板及びリップの組み合わせは、ヒーブ板が接続されるスパーの有効質量を増やす機能を果たす。図４では、円形のヒーブ板の外縁が、ケーブル（又はロッド）２１０によってトラス２０２の上でスパーの下側部分に接続されて示されている。トラス構造２０２は、スパーを押す水平方向の流れの作用を減らすために開放トラス部分であることが示されている。

図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃは、ヒーブ板がロッド／ケーブル／ストラット／パイプ／ビーム２１０を介して支柱２０２の下側部分に固定されるＷＥＣ設計を示す。この実施形態では（図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃを参照）、スパー２００、及びスパーをヒーブ板に接続する支柱２０２の長さは、３５メートルを超えた。スパーは、外径が２．５メートルであり、水線から５メートル〜６メートル上に突き出した。フロートの移動をスパーの上側部分に位置付けられているＰＴＯ３００に結合するための上側トラス４１０は、水線上９．５メートルの高さとした。フロートの外径は１１メートル、ヒーブ板の外径は１２メートルとした。したがって、この実施形態では、ヒーブ板の外径はフロートの外径よりも大きくなった。

フロートのＮＲＦ（固有共振周波数）とスパーのＮＲＦとの間には好ましい関係がある。さらに、フロートの全容積（排水容積＋付加容積）とスパーの全容積との間には好ましい関係がある。この理由を理解するために、ＮＲＦの関係は好ましいが全容積が極めて不釣り合いなフロート及びスパーを考える。フロートの全容積が例えば１００トンであるが、スパーの全容積が１トンしかないと仮定する。この例では、インピーダンス不整合が結果的に起こる可能性が高くなり、これは非常に非効率な発電につながる。典型的な波候に関してフロートの全容積とスパーの全容積との好ましい比は、約４：１である。所与の波候に関するフロートの全容積とスパーの全容積との比は、いくつかの比に関して電力変換特性をモデル化すること、及び最適な比を選択することによって決定することができる。ヒーブ板のサイズを大きくすること、又は追加のヒーブ板を加えることは、設計者がスパーの全容積を増やすのに好ましい方法であり得る。

別の実施形態では、スパーは、約１０メートル以上の喫水及び１ｍの直径を有するように設計した。スパーの頂部は、水面上に約２．５メートル突き出すように設計した。フロート要素は、上下波動作用に応じてスパーに対して直線状に上下移動するように設計される環状フロートであった。フロートは、スパーの頂部を介して電力変換システムに接続されるトラス（ブリッジとも称される）すなわち図の要素４１０を支持し、スパーに対するその相対運動が、電力変換システムに駆動力を供給する。この実施形態では、フロート１００は、約３．２５メートル〜３．５メートルの外径を有し、喫水が約１メートルであるように設計し、トラスは、水面上約４．２５メートルの全高とした。

図６は、ＷＥＣ１０が上述のように上側リップ２０６ａ及び下側リップ２０６ｂが形成されているヒーブ板２０４を備えることを示す。図６では、ＰＴＯ３００は、スパー及びフロートの相対運動を有用なエネルギーに変換するためにこれらの間に接続されて示されている。これは、ＰＴＯがスパー内にある必要がないことを示す。ＰＴＯは、スパー及びフロートの相対運動に応答するようにこれらによって駆動される構成部品／部材に結合され得る任意の好都合な点に収容又は装着することができる。

図６Ａは、図２、図３、図４、図５、及び図１４におけるように、ＰＴＯ３００がスパー２００の上側部分に位置付けられ得ることを示す。トラス又はブリッジ４１０が、フロート（及びスパー）の上に装着され、ＰＴＯを駆動するようにフロートの移動を伝達する。フロートの移動をＰＴＯにつなげて伝達するトラス４１０等の機械構造は、フレキシブル継手（スイベルジョイント９４１）を含むことでフロートとスパーとの間の位置ずれがフレキシブル継手によって補償されるようにする。

ケーブル３６１が、ＰＴＯの選択された入力／出力ポートと、水線よりも上でスパーの頂部に装着されて示されているコネクタ３０２との間に接続される。この接続がＰＴＯのアクセスを可能にする。ケーブル／導管３０４が、ＰＴＯの出力をＷＥＣの外部の点に結合するようにコネクタ３０２に接続される。ケーブル及びコネクタの接続を用いて、ＰＴＯ／ＷＥＣとＷＥＣの外部の点との間で信号／電力を伝えることもできることに留意されたい。水線よりも上に電力接続を設けることで、ＷＥＣの電気系統とＷＥＣの外部の装置との間を水中接続する必要がなくなる。これにより、ブイの頂部部分（水線の上方）から電力が抽出されて水中接続を行う必要を回避する、改良型のＷＥＣが得られる。海底定格電力ケーブルが、海中ポッド（ノード）に通じるルートを経て海岸に電力及び通信を伝送し戻す。ケーブルは、キンク及び疲労を防止するためのベンドリリーフ機能を用いてスパーから出る。

ＷＥＣの浸水型ヒーブ板の使用には、構造設計に対する／における課題がある。ヒーブ板形態の形状は、本質的に大半径片持ち式プラッター（スパーが中央に位置付けられている場合）で、非常に大きな質量がその面積全体に広がるため、スパーへの取り付け点におけるモーメントが非常に大きくなり、これが下側スパーを経て上側スパーまで伝わることになる。この問題に対するいくつかの解決手段は、図示及び上述されている。さらなる解決手段は、図７及び図８に示される。

図７及び図８は、スパーが上側部分２００と下側部分すなわち支柱２０２とから成るものとみなされ得ることを示す。スパーの２つの部分は、接合点における応力を減らすためにコンプライアント／フレキシブルジョイント２１５を介して相互接続される。支柱２０２の底部領域はヒーブ板に接続される。カラー２５０が、フレキシブルジョイントの上方でスパーの上側部分の下側領域に接続固定される（カラーは、概して水線よりも下の任意の点にあり得る）。ケーブル／ロッド２１０が、カラー２５０からヒーブ板の周縁まで延びて板を固定し安定させる。スパー延長支柱２０２は、ヒーブ板の下方に延び、支柱の下端とヒーブ板の下面との間にケーブル／ロッド２１０ｂを接続させて同じく板を固定し安定させる。

図８に示す一連のロッド、ケーブル、ビーム、又はパイプを用いて、上下いずれの方向の大きな力及びモーメントにも対抗する三角構成でヒーブ板を支持することができる。ロッド、ケーブル、ビーム、又はパイプ（２１０、２１０ａ）は、下側スパー取り付け点から最も構造的に効果的な（横方向）距離のところでヒーブ板２０４に取り付けることができる。この点は、ヒーブ板の外縁以外の内側の点であり得る。

図８は、張力をかけられたケーブル又はロッド２１０が、コンプライアント／フレキシブルジョイント２１５の上方でスパーに取り付けられているカラー２５０からヒーブ板の上面まで延び得ることを示す。ヒーブ板の下の構造２０８が、ヒーブ板を支持し、張力をかけられた要素２１０、２１０ａからの張力に対抗する。スパーの上側部分と下側部分とを接続するフレキシブル又はコンプライアントジョイント２１５は、スパー２００の上側部分と延長支柱２０２との間の接続点において曲げモーメントを発生させることなくいかなる力も吸収する。下側支持支柱を伴う張力ケーブル設計は、延長支柱２０２を圧縮状態にする。ヒーブ板の下の構造部材２０８は、ヒーブ板よりも下のスパーの下側部分とヒーブ板上の最適な場所（複数可）とに取り付けられ、これらの部材２０８は、部材２１０に反張力を与える。これにより、鉛直方向の付加質量の移動を支持することができる費用効果的な構造が得られる。

ＷＥＣでヒーブ板を用いることで、ＷＥＣの電力変換効率が高まる。例えば直径１．７５ｍで喫水２５ｍの中央配置（centrally oriented）円筒形スパーを備えるモデルＷＥＣの場合、スパーのヒーブ固有共振周期は１０．５秒である。したがって、ヒーブ板、又は「リップ」を備えるヒーブ板を備えないスパーを１１秒の波が通過する場合、スパーは事実上この波と同相で波に応答する。したがって、フロートがヒーブ板の無いスパーに取り付けられる場合は、両方の物体が事実上波と同相に、且つ互いに同相で移動することになるため、相対運動の発生は、皆無又はほぼ皆無となり、したがって電力の発生も、皆無又はほぼ皆無となる。

極めて対照的に、直径１０ｍの平坦な円形ヒーブ板がスパーに加えられる場合、３１．７秒のヒーブ固有共振周期が得られる。さらに、ヒーブ板の上下にそれぞれ高さ０．８ｍの鉛直リップを加えると、ヒーブ固有共振周期はさらに長い３４．７秒になる。ヒーブ固有共振周期が長いほど、物体（スパー、ヒーブ板を備えるスパー、リップを備えるヒーブ板を備えるスパー）が波に応答するのに要する時間が長くなる（したがって、物体と波との位相ずれが大きくなる）。したがって、事実上波と同相で移動するように設計されるフロートを大きなヒーブ固有共振周期を有するスパーに取り付ければ、両者間の相対運動を劇的に大きくすることができる。これにより、ＰＴＯによる発電量が大幅に増える。

図９及び図１０は、スパーの上側部分に水線の領域に縮小された断面（小水線面）が形成され、スパーの下側部分がヒーブ板に接続されている、ＷＥＣを示す。スパーの上側領域のうち、上下するときにスパーが水線と通常交わる領域の断面を縮小することで、有効「ｋ」（ばね）定数を小さくすることによってスパーの有効浮力が小さくなる。スパーの固有周期は、２π×√（有効質量（Ｍ）／有効ばね定数（Ｋ））にほぼ等しいものとして示され得ることに留意されたい。したがって、スパーの水線面を小さくするとスパーの浮力が小さくなる。

フロートのＮＲＦ（固有共振周波数）とスパーのＮＲＦとの間には好ましい関係がある。通常、フロートのＮＲＦの方がスパーのＮＲＦよりも周波数が高いことが望ましい。波周波数の広がりに対してフロートのＮＲＦが高い周波数の場合、フロートは、ＰＴＯに妨げられないときには波の動きに追従するようになる傾向がある。波周波数の範囲に対してスパーのＮＲＦが低い場合、スパーは、波と異なる位相で移動する傾向がある。したがって、フロート及びスパーは、自然に異なる位相で移動する傾向がある。

スパーのＮＲＦは、全容積（排水容積＋付加容積）及び水線面積の関数である。ＮＲＦに関する式は以下の通りである。共振周波数＝１／（２π）×√（ｇ／ｚ）であり、式中、ｇは重力加速度、ｚは（全容積）／（水線面積）として定義される構造の有効深さである。この式から分かるように、水線面積を小さくすることで固有共振周波数が小さくなる。

したがって、ＷＥＣの設計者は、発電特性を最適化するためにスパーの水線面積を最小化することを望み得る。しかしながら、設計者が考慮する必要がある両立しない点がいくつかある。スパーのＮＲＦが最低波周波数よりもはるかに低ければ、優れた電力変換特性を得ることができる。水線面積がさらに小さくなると、スパーに対する鉛直力につながる荷重の存在下でスパーが所望の喫水を維持する能力に悪影響が及び得る。このような荷重の例は、流れの存在下での係留によって与えられる鉛直力、又は非線形の波動作用による正味の下方漂流力を含む。

図１１は、保守及び／又は修理のためにＷＥＣの選択された部品にアクセスすることを可能にするための人的アクセス部１９５を示すフロートの上面図である。この図は、フロートを切り分けた「パイ」状に形成／作製することができることも示す。同様に、ヒーブ板を切り分けたパイ状に形成することができ、続いてそれらを互いに接続することができる。

スパーは、図１に示すような補助水上（surface）ブイ（ＡＳＢ）又は補助水中（sub surface）ブイ（ＡＳＳＢ）を備える順応性のある３点係留システムを用いて所定位置に保持することができる。一例として、一実施形態では、ＡＳＢは、約３メートル〜３．５メートルの直径を有するように設計した。繋ぎラインがＡＳＢからスパーにつながる。このシステムの順応性が、スパーが干満差に従って移動し荒海を乗り切ることを可能にする。係留ラインは、合成ライン、ワイヤロープ、チェーン、及びシャックル構成部品のうちの組み合わせを含み得る。海底のアンカーは、計算された繋留力及び局所的な海底条件を満たすようなサイズにされ得る。硬い（例えば石灰岩）海底条件の場合、ロックボルト及び重力ベースの組み合わせが適切であり得る。係留ラインは、深さに応じた長さだけスパーから延出させることができ、水深が深いほど長くするべきである。

フロートガイド・軸受システム
図に示すＷＥＣは、スパー（又は支柱）２００とフロート１００（環状形状で図示されているが、任意の他の好適な形状とすることができる）とを備え、フロート１００は、ＷＥＣが水塊に配備されているときにフロートがスパーに沿って上下移動することを可能にする中央開口を備える。ＰＴＯ３００が、スパートフロートとの間に接続されて、それらの相対運動を有用なエネルギー（電気的又は機械的）に変換する。一部の用途では、フロート及びスパーのうちの少なくとも一方の運動が、トラス／ブリッジ４１０を介してＰＴＯに伝えられる。

システムの操作性及び効率のために、フロートがスパーに沿って滑らかに上下移動することが望ましい。すなわち、運動は可能な限りＺ軸のみに沿っていることが望ましい。しかしながら、制御されていない海洋環境での波及び関連水粒子の動き及び運動は、多くの異なる方向及び角度でフロートに加わる力があるようなものである。図１２に示すように、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に沿って、且つ回転（θ）平面に沿って、フロートの一端を他端よりも押し上げるか又は押し下げる傾向がある「揺れ」（α）方向に、フロートに加わる力がある。フロート及びＰＴＯは、スパーを中心にフロートを回転させる傾向があるような力、片側を別の側に対して押し上げる傾向があるような力（揺れ）、及びフロート及びスパーを互いに押し合わせる傾向があるような力から、すなわちＸ方向及び／又はＹ方向の側面荷重又は側圧から保護されなければならない。

ＰＴＯをより最適に駆動すると共にＰＴＯ及び機械機器をこれらの様々な力の付与から保護するように、これらの力を集中させることを可能にするために、ガイド／軸受システムを開発した。このシステムは、フロートとスパーとの間にあり、１自由度（ＤＯＦ）を有するようにスパーとフロートとの間に効果的な移動を与えるように設計される多点ガイド又は軸受システムである。

図１３ａに示すように、スパーには「軸受直線部」（レール又はレースとも称される）９０１（図２及び図３にも示す）が形成され、これは、スパーの長さに沿って且つこれと平行に延びてスパーに対するフロートの上下移動経路を画定する。図１３ｂは、スパー及びフロートの断面の上面図であり、フロート１００の内壁内に形成されている４つの切欠部分９０３内に延びる４つのガイドレール９０１を備えるスパー２００を示す。所望の１自由度への軸受レール９０１に沿った移動を容易にするために、軸受パッド９０５が切欠部９０３の壁に取り付けられる。図１３ｃは、軸受パッド９０５が揺れ運動の解消を助ける機能も果たすことを示す。したがって、パッド及び軸受ハウジングは、フロートの揺さぶる及び回転とＸ及びＹ方向の推進とに抵抗する。

軸受直線部９０１は、パイプ若しくはチューブ、又はフロートに形成されているチャネルに挿入するのに適したスパーから延びる任意の適切なレールであり得る。代替的に、スパーの外周内にチャネルを形成し、スパーのチャネルに嵌まるようにフロートの内壁に沿ってレールを形成してもよい。

軸受パッド９０５は、不動配置又は浮遊配置でフロート（又はスパー）に装着されてもよく、又は隙間有り又は無しでばね状装置によって事前設定されてもよい。パッドは、海洋での使用に適した材料からできている。

ガイド及び軸受システムは、Ｚ軸に沿った所望の移動（スパーに対するフロートの上下運動）以外の全方向の運動を制限する。図２、図３、図４、図５、及び図６Ａに示す実施形態では、フロートの移動から生じる力がトラス／ブリッジを介してＰＴＯ３００に伝達される。

図１４に示すように、トラス／ブリッジ４１０に取り付けられている自在軸受９４１が、接続要素９４３を介してＰＴＯ３００に接続されて、予め選択されたエネルギー形態（例えば、電気又は機械）への所望の変換を行う力を提供することができる。トラスとＰＴＯとの間の自在軸受９４１は、ＰＴＯシステムをガイドシステムの許容差内での側面荷重又は捩り荷重から保護する。さらに、トラス４１０の種々の構造部材のアーム及び脚が、スイベルジョイント９４７（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）を介して相互接続されて、システムが受け得る種々の望ましくない力を補償することができる。いくつかの図に示すように、トラス４１０は、フロートから上方に２つ、３つ、又はそれ以上の脚が延びるブリッジであり得る。

図１５Ａ及び図１５Ｂは、スパー２００の底部に（又はスパー２００に沿って）取り付けられている１つ又は複数の浮力／バラスト室３０１を用いて、浮力室に弁要素３３１及び３３３を介してガス（例えば空気）又は何らかの物質（例えば水等の液体）を選択的に充填することによって、スパー２００及びフロート１００を水平位置又は鉛直位置にすることができることを示す高度に単純化した図である。浮力室は、上述のタイプであってもよく、又はこの特定の目的で特に形成されてもよい。一例として、ＷＥＣを選択された現場に牽引するとき、浮力室（複数可）３０１に弁システム（例えば３３１）を介してガスが充填される。ＷＥＣが所望の現場に来ると、ガスを排出させることができ、弁システム３３３を介して液体（例えば水）を室（複数可）３０１に充填するのに用いられる。室（複数可）３０１内のガス／液体の量は、ＷＥＣが現場にあるときにスパーシステムに所望の浮力を提供するように制御システム（図示せず）によって調整することができる。

フロートと、２つのヒーブ板が接続されているスパーと、３点係留装置とを備える、本発明を具現化するＷＥＣブイシステムを示す等角図である。 より詳細なスパー及びフロートと、スパーへのヒーブ板の接続様式の１つを示す、本発明を具現化するＷＥＣの等角図である。 より詳細なスパー及びフロートと、スパーへのヒーブ板の接続様式の１つを示す、本発明を具現化するＷＥＣの等角図である。 ＷＥＣの分解を示す図である。 隆起縁（リップ）を有する単一のヒーブ板がスパーに接続されているＷＥＣの等角図である。 ヒーブ板がスパーの下側部分に接続されているＷＥＣの種々の図の１つである。 ヒーブ板がスパーの下側部分に接続されているＷＥＣの種々の図の１つである。 ヒーブ板がスパーの下側部分に接続されているＷＥＣの種々の図の１つである。 スパーに接続されているヒーブ板と、フロートとスパーとの間に接続されている動力取出装置（ＴＰＯ）とを示す理想断面図である。 スパーに接続されているヒーブ板と、フロートとスパーとの間に接続されている動力取出装置（ＴＰＯ）とを示す理想断面図である。 リップを有するヒーブ板と、フロートの下でスパーの上側部分にヒーブ板を接続するケーブルとを示す断面図である。 リップを有するヒーブ板と、フロートの下でスパーの上側部分にヒーブ板を接続するケーブルとを示す断面図である。 スパーの上側部分の水線及びフロートの領域に縮小された断面（小水線面）が形成され、スパーの下側部分がヒーブ板に接続されている、ＷＥＣの等角図である。 図９に示すスパーの上側部分のうち、フロート及びスパーが上下移動するときにこれらが波浪に応じて概して異なる位相関係ですれ違う領域の拡大図である。 図９のスパー及びフロートの上面図である。 フロート及びスパーが受け得る種々の力を示す略図である。 本発明を具現化するＷＥＣのガイド／軸受構造を示す図である。 本発明を具現化するＷＥＣのガイド／軸受構造を示す図である。 本発明を具現化するＷＥＣのガイド／軸受構造を示す図である。 フロートの移動をスパー内に位置付けられているＰＴＯに伝達するためのブリッジ／トラス構造を示す図である。 浮力室を用いてＷＥＣを水平位置にしていることを示す高度に単純化した図である。 浮力室を用いてＷＥＣを鉛直位置にしていることを示す高度に単純化した図である。

Claims (32)

1. 波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）であって、
   水塊（a body of water）の表面に沿って位置することが意図されると共に、該水塊に存在する波と同相で移動するように設計されるフロートと、
   鉛直、且つ前記フロート及び前記水塊の表面に対して概ね垂直に延びることが意図されるスパーであって、該水塊の表面の下に延び、波と異なる位相で鉛直上下方向に移動することが意図されるスパーと、
   前記スパーと前記フロートとの間に接続され、該スパーと該フロートとの相対運動に応答して該スパーと該フロートとの相対運動を有用なエネルギーに変換する動力取出装置（ＰＴＯ）と、
   前記スパーの浸水部分に中央が接続されるヒーブ板であって、該ヒーブ板は、該スパーに対して垂直な平面内に延び、該ヒーブ板と前記スパーとの間で構造的に強固な接続を確実にし、且つ前記スパーが上下移動する傾向があるときに該スパーに質量を効果的に加えると共に、該ＷＥＣによって生産されるエネルギーを増やすように前記スパーを前記フロートと異なる位相で移動させるために、該板が前記スパーと共に均一に上下移動することを確実にするように、ロッド及びワイヤのうちの少なくとも一方が該ヒーブ板の外周と前記スパーとの間に接続される、ヒーブ板と、
   を備える、波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。
2. 前記スパーは上側部分及び下側部分を有し、前記フロートは該スパーの該上側部分に沿って上下移動し、前記ヒーブ板は、前記ロッド及び前記ワイヤの前記少なくとも一方を介して前記スパーに沿った領域に取り付けられ、前記ロッド及び前記ワイヤが接続される前記スパーの前記領域は、構造強度を高めて前記ヒーブ板と前記スパーとの間のモーメントを減らすのに十分な長さにされる、請求項１に記載のＷＥＣ。
3. 前記ジョイントを介して伝達される前記ヒーブ（又は減衰）板と前記スパーの前記上側部分との間の力の大きさを減らすために、前記スパーの前記上側部分及び前記下側部分は、別個に形成されてフレキシブル継手を介して相互接続される、請求項２に記載のＷＥＣ。
4. 前記ロッド及び前記ワイヤの前記少なくとも一方は、前記フレキシブル継手の上方の領域で前記スパーに接続される、請求項３に記載のＷＥＣ。
5. 前記ロッド及び前記ワイヤケーブルの前記少なくとも一方は、前記ヒーブ板と前記スパーとの間の前記伝達される力を最小にするために選択的に張力状態又は圧縮状態にされる、請求項１に記載のＷＥＣ。
6. ２つ以上のヒーブ板が前記スパーに取り付けられる、請求項１に記載のＷＥＣ。
7. 前記ＰＴＯが前記フロートと前記スパーとの前記相対移動に応答するように、機械構造が前記フロートの運動を前記ＰＴＯに伝達する、請求項１に記載のＷＥＣ。
8. 前記フロートを前記ＰＴＯに結合する前記機械構造は、前記フロートと前記スパーとの間の位置ずれを補償するようになっているフレキシブル継手を含む、請求項７に記載のＷＥＣ。
9. 前記機械構造は、水位よりも上で前記ＰＴＯへの電気接続が行われることを可能にするトラス部分を含む、請求項７に記載のＷＥＣ。
10. 前記ＰＴＯは出力ポートを有し、水線よりも上で該ＰＴＯの該出力ポートに電気ケーブル接続が行われ、続いて該ケーブル接続は、前記ＷＥＣに沿って海底まで下に延びてから系統連系のために海岸まで延びる、請求項９に記載のＷＥＣ。
11. 前記スパーの前記上側部分は前記フロートの上に延び、前記ＰＴＯは水線よりも上で前記スパーに沿って位置付けられる、請求項２に記載のＷＥＣ。
12. 前記フロートと前記スパーとの間の移動を所望の上下方向に制限して前記フロートと前記スパーとの間の回転運動を阻止するように、前記フロートの内壁及び前記スパーの外壁に沿って形成されるレール及びチャネルをさらに備える、請求項１に記載のＷＥＣ。
13. 揺れ、スティッキング、及び傾き(cocking)が小さい前記スパーと前記フロートとの間の上下相対移動を可能にするように前記チャネルに沿って位置決めされるパッドをさらに備える、請求項１２に記載のＷＥＣ。
14. 前記ヒーブ板の表面積は、前記フロートの表面積よりも大きい、請求項２に記載のＷＥＣ。
15. 前記フロートは鉛直中央開口を有する環状であり、前記スパーの前記上側部分は、該フロートの該中央開口を通って鉛直方向に延び、前記フロートの表面積は前記スパーの断面積よりも大きく、該スパーの前記浸水部分に取り付けられる前記ヒーブ板の表面積は、前記フロートの表面積よりも大きい、請求項２に記載のＷＥＣ。
16. 前記スパーの前記上側部分のうち該スパーが水線と交わる領域の断面積は、前記スパーの前記下側部分の断面積よりも小さい、請求項２に記載のＷＥＣ。
17. ガスが充填されると前記ＷＥＣを水平方向に位置決めすることができ、水が充填されると該ＷＥＣを鉛直方向に位置決めする、該ＷＥＣに取り付けられる浮力室をさらに備える、請求項１に記載のＷＥＣ。
18. 前記浮力室は、前記ヒーブ板の一部、該ヒーブ板の上で前記スパーに接続される別個の構造、又は該ヒーブ板の下で該スパーに接続される別個の構造のうちの１つである、請求項１７に記載のＷＥＣ。
19. 前記ＷＥＣの浮力を変えるように空気（又は他のガス）を送り込むことができる浮力室をさらに備える、請求項１に記載のＷＥＣ。
20. 牽引用に概ね水平な向き及び配備用に概ね鉛直な向きをとるように、前記ＷＥＣの安定性を制御するために選択的に満水及び無水にすることができる浮力室をさらに備える、請求項１に記載のＷＥＣ。
21. ＷＥＣが配備されているときに前記スパーの自然浮力トリムを制御及び変更するために選択的に満水及び無水にすることができる浮力室をさらに備える、請求項１に記載のＷＥＣ。
22. それぞれが容易に輸送可能であると共に、最終組み立て場所でボルト締め及び溶接によって組み立てることができる種々の複数部分に分けて形成される、請求項１に記載のＷＥＣ。
23. 前記ヒーブ板は、前記スパーが上下移動するときに該スパーに動質量を加えるように外周に形成されるリップを備える、請求項１に記載のＷＥＣ。
24. 前記フロートは、それぞれが容易に輸送可能であると共に、最終組み立て場所でボルト締め及び溶接によって組み立てることができる種々の複数部分に分けて形成される、請求項１に記載のＷＥＣ。
25. 前記スパーは、それぞれが容易に輸送可能であると共に、最終組み立て場所でボルト締め及び溶接によって組み立てることができる種々の複数部分に分けて形成される、請求項１に記載のＷＥＣ。
26. 前記ヒーブ板は、それぞれが容易に輸送可能であると共に、最終組み立て場所でボルト締め及び溶接によって組み立てることができる種々の複数部分に分けて形成される、請求項１に記載のＷＥＣ。
27. 保守及び修理を可能にするための前記ＷＥＣの内部構成部品へのアクセスを可能にするために、アクセスハッチがある、請求項１に記載のＷＥＣ。
28. 波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）であって、
    水塊の表面に沿って位置することが意図されると共に、該水塊に存在する波と同相で移動するように設計されるフロートと、
    鉛直、且つ前記フロート及び前記水塊の表面に対して概ね垂直に延びることが意図されるスパーであって、該水塊の表面の下に延び、波と異なる位相で鉛直上下移動することが意図されるスパーと、
    前記スパーと前記フロートとの間に接続され、該スパーと該フロートとの相対運動に応答して該スパーと該フロートとの相対運動を有用なエネルギーに変換する動力取出装置（ＰＴＯ）と、
    なお、前記スパーは前記フロートの内壁に面している外壁を有し、
    前記フロートと前記スパーとの間の運動を上下運動に制限する手段であって、前記スパーの前記外壁及び前記フロートの前記内壁のうちの一方に沿って形成される少なくとも２つのレールを備え、且つ前記スパーの前記外壁及び前記フロートの前記内壁のうちの他方に沿って形成される少なくとも２つの対応するチャネルを備え、各レールが前記のうちの対応する一方に嵌まることによって、上下運動が許される一方で回転運動が阻止される、制限する手段と、
    を備える、波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。
29. 揺れも傾きも伴わない滑らかな移動を可能にするように前記チャネルに沿ってパッドが配置される、請求項２８に記載の波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。
30. 前記ＰＴＯは、前記フロートの運動を前記ＰＴＯに伝達するように該フロートから延びるブリッジ構造を介して前記フロートに接続される、請求項２９に記載のＷＥＣ。
31. 前記ブリッジ構造は、前記フロートの過剰な移動から前記ＰＴＯを保護するようにスイベルジョイントを含む、請求項３０に記載のＷＥＣ。
32. 波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）であって、
    水塊の表面に沿って位置することが意図されると共に、該水塊に存在する波と同相で移動するように設計されるフロートと、
    鉛直、且つ前記フロート及び前記水塊の表面に対して概ね垂直に延びることが意図されるスパーであって、該水塊の表面の下に延び、波と異なる位相で鉛直上下移動することが意図されるスパーと、
    前記スパーと前記フロートとの間に接続され、該スパーと該フロートとの相対運動に応答して該スパーと該フロートとの相対運動を有用なエネルギーに変換する動力取出装置（ＰＴＯ）と、
    前記スパーに接続される浮力室であって、前記スパーが水平方向に位置決めされることを可能にするように該浮力室にガスを選択的に充填する手段と、前記スパーが鉛直方向に位置決めされることを可能にするように該浮力室に液体を選択的に充填する手段とを備える、浮力室と、
    を備える、波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。

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