JP2010525214A - 波力発電ユニット、ブイ、波力発電ユニットの使用、および電気エネルギー生成方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、水面（２）に浮くのに適合したブイ（３）を伴う波力発電ユニットに関する。発電機（５）が、連結手段（４，１２，１３）を介してブイに連結されている。ブイ（３）は、それが水面（２）に浮いた状態で当該水面に直交する方向からそれを見た場合に、内側開口（１４）を囲む閉環形状を有する。本発明は、これと同様の特徴を有する波力発電ユニット用ブイ（３）にも関する。更に、本発明は、前記波力発電ユニットの使用、および、前記波力発電ユニットによる電気エネルギー生成方法にも関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、その第１の側面において、水面に浮くのに適合したブイと、発電機と、ブイを発電機に連結する連結手段と、を備える波力発電ユニットに関する。

第２の側面において、本発明は、波力発電ユニットのためのブイに関する。

また、第３および第４の側面において、本発明は、第１の側面に係る波力発電ユニットの使用、および、電力を発生させるための方法に関係する。

波力エネルギーについては、伝統的なエネルギー源の代替を見つけるという要望に応えるうえで非常に重要視されている再生可能エネルギー源の一つであることが、見い出されている。諸大陸の沿岸周辺における波力エネルギー資源の総量は膨大であり、そのうち、技術的に利用可能な部分も相当な量にのぼる。

再生可能エネルギー源の多くがそうであるように、波力エネルギーに関しても、使用可能な電気エネルギーに変換するための経済性は非常に重要な点である。波のエネルギーから生成される電気エネルギーが、伝統的なエネルギー生成手法に対して競争力あるものとなるためには、エネルギー生成連鎖内における各つながりを、技術的にも経済的にも最適化する必要がある。本発明は、主には、波力発電ユニットで使用されるブイのデザインの最適化に焦点を合わせるものである。

より大規模に電気エネルギーを発生させるための波力発電ユニットについては、例えば、国際公開第０３／０５８０５５号に記載されている。

伝統的には、そのような波力発電ユニットのブイは、球形、扁平なシリンダ形状、またはダブルコーン形状の、ずいぶんコンパクトな物体として形成されている。波のエネルギーを機械的エネルギーに変換するためのブイの作業効率にブイの形状が影響を与えてしまう、という事実に対しては、従来、特に何の注意も向けられてこなかった。

本発明の目的は、波のエネルギーを、使用可能な機械的エネルギーに変換すること、に関して高効率を達成するためにはブイをどのような形状にすべきなのか、という問題を解決することにある。

国際公開第０３／０５８０５５号

上述の問題は、本発明の第１の側面により、次のようなブイを伴う波力発電ユニットを提供することで、解決される。そのブイとは、それが水面に浮いた状態で当該水面に直交する方向からそれを見た場合に、内側開口を囲む閉環形状を有するブイである。

ブイに関するこのような構成は、ブイに作用する浮力に関し、横方向すなわち水面方向に、より大きな拡張をもたらす。この拡張は、波エネルギーを変換する際の効率に関し、有益である。単にブイを薄板のように薄く且つ広くすることによって横方向への前記大きな拡張を実現すると、他の問題が生ずる。内側開口を囲む閉環形状（例えば、円環体という形状）を有するブイとすることにより、ブイの中央部を水が通り抜け出ることが可能となり、これが、上記他の問題を相当程度に抑制し、ブイの機能を向上させる。このような形状のブイの利点は、波が高くて強いときに特に顕著となる。また、環形状は、ブイに作用する強い波の力に抗するのに必要な充分な機械的強度をブイにもたらす。

発電機で変換されるエネルギーは、ｄφ／ｄｆに比例し、その値はＦ・ｖと正の相関を有する。ここで、Ｆは、ブイに作用する力であり、ｖは、鉛直方向（即ち、力の方向）におけるブイの速度である。ブイの浮力が充分である場合、力Ｆは高いレベルにある。問題は、できるだけ大きな速度を達成することにある。本発明によるブイの形状において、速度は、従来のブイと比較して相当程度に増大する。

本発明によると、更に次のことが実現される。高く砕ける波がブイに覆い被さったときのブイ上の水塊の量は、最小化される。ブイの横方向の大きな拡張にもかかわらず、波に対する高い側面を確保することができる。小さな波や中級サイズの波に対する優れた動的な波吸収作用を伴いつつ、小さな静浮力を、維持することが可能である。これは、排水量の割に浮体面を比較的大きくすることにより、実現することができる。内側開口が存在することにより、非常に高い波であってもブイを水面下に埋没させないことが、確保される。これは、当該内側開口を水が上下に通り抜け出られるという事実によるものである。

したがって、ブイが本発明による形状を有する波力発電ユニットは、電気エネルギーを生成するのに使用できる種類の機械的エネルギーに波エネルギーを変換する際に、より高い効率をもたらす。機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する最も簡単で且つ多くの点で最も効率的な方法は、ブイの動きそのものが発電機の回転子を動かすようにブイを回転子に機械的に直接連結する手法である。発電機がロータリー発電機である場合、ブイの動きは、円運動に変換する必要がある。発電機がリニア発電機である場合、そのような変換は必要なく、直線的な往復動が可能な回転子を、ワイヤなどを介してブイに対して直接的に連結することができる。

ブイの動きを発電機の回転子の動きに直接伝えることには多くの利点があるが、本発明では、機械的エネルギーを変換するための様々な中間的段階を採用してもよい。例えば、ブイにより駆動されるポンプと、当該ポンプにより駆動される水力機関とを採用し、当該水力機関によって発電機を駆動してもよい。

本発明に係る波力発電ユニットの好ましい実施の形態では、当該ユニットのブイは、内側開口を囲む前記閉環形状を有する浮体を含む。

このような構成の浮体は、非常に簡素で製造しやすいブイ構造をもたらす。

好ましい実施の形態では、浮体は、互いに直接接続された複数の節部を含む。

このような構成は、浮体製造に関して非常に経済的なモジュール構想を実現する。

好ましい実施の形態では、各節部は、まっすぐなパイプであり、各パイプは、隣りのパイプとの間に水を通さないように当該隣りのパイプと接続（即ち水密接続）されている。

まっすぐなパイプとして形成されている節部によって浮体を構築するという構成は、ブイ製造の経済的な側面に関してモジュール構想を最適化する。パイプ間を水密接続することにより、連続した環状中空物体が形成されるところ、当該物体は、浮体として非常に有効である。

本発明における好ましい実施の形態では、各パイプは、円形の横断面形状を有する。

当該形状は、波に曝され続けるブイの表面を流れ落ちる水の様々な流路との関係で、有利である。加えて、当該形状によると、所定量の材料からなる浮体の体積が最大となり、浮力効率がよい。更に加えて、円形パイプの使用は、ブイ製造の経済上、好ましい。

本発明における好ましい実施の形態では、各パイプは鉄鋼製である。

材料費、材料の機械的強度、および海水中での耐腐食性の程度を考慮に入れると、鉄鋼、特にステンレス鋼の採用は、非常に好ましい取り得る手段である。

好ましい実施の形態では、パイプは互いに溶接されている。

このような構成によると、強くて信頼性高い水密接続を安価で実現することができる。

好ましい実施の形態では、節部の数は３から１２である。

節部の数が少ないほど、浮体の製造は高価でなくなる。閉環構造をなすうえで３は最小値である。一方、節部の数が増えるほど、波に曝される浮体の挙動は、流れ動力学的に、より調和のとれたものとなる。多くの場合、節部数について特定の範囲（通常、４から８またはこれに近い範囲）を採用することにより、これら考慮事項のバランスをとることができる。６個の節部から組み立てられる浮体が最もバランスがとれていることが多い。

好ましい実施の形態では、節部の全てが同じ立体寸法を有する。

このような構成によると、浮体について、様々な観点で高度の対称性が達成され、浮体の機能目的が最適化される。

好ましい実施の形態では、浮体は、正多角形の形状を有する

このような構成によると、浮体の対称性は最も高くなり、ブイないし浮体の機能効率が最大化される。

好ましい実施の形態では、浮体は、水の密度より小さい密度の材料よりなる。

このような構成には、浮体の水密性を確保しなければならないという問題を排除できるという利点がある。

好ましい実施の形態では、浮体は環状体である。

このような形状は、浮体にとって簡素で調和のとれた形状であり、浮体ないしブイの安定化および対称性向上に資する。

好ましい実施の形態では、環状体は、円形の横断面形状を有する。

断面形状が円形であることにより、波がブイを通過したりブイ開口を通り抜けるときに当該波がブイの機能的動作を乱すことを、最小化することができる。

好ましい実施の形態では、ブイは、連結部を介して連結された複数の浮体を含み、当該浮体および連結部は、合わさって、内側開口を囲む前記閉環形状をなす。

このような構成においては、各浮体を自己閉塞した要素として形成することができるので、水密性確保の問題が困難なものでなくなる。すなわち、複数の中空の節部を互いに水密接続する必要がなくなる。

好ましい実施の形態では、各浮体の形状は、球形または円柱形である。

このような構成によると、波が各浮体を通過したりブイ開口を通り抜けるときに当該波がブイの機能的動作を乱すことを、抑制することができる。

好ましい実施の形態では、各連結部は、隣り合う浮体間の硬直した連結を確立する。

このような構成により、ブイは、安定化し、且つ、単一の剛直ユニットとして動作する。

好ましい実施の形態では、上記の連結手段は、ブイにおける異なる箇所に取り付けられた少なくとも三つの固定具を含む。

このような構成によると、ブイの全運動エネルギーが利用され得るので、ブイの動きの発電機への伝達が最も効率的となる。好ましくは、固定具は、３個設けられ、且つ、正三角形の頂点をなす位置関係で設けられる。

本発明の第２の側面によると、上記の本発明の目的は、次のような特徴を有するブイによって達成される。波力発電ユニット用のブイであって、それが水面に浮いた状態で当該水面に直交する方向からそれを見た場合に、内側開口を囲む閉環形状を有するブイである。

好ましい実施の形態では、第２の側面に係るブイは、波力発電ユニットに関して上述した様々な好ましい実施の形態おけるブイの特徴的構成に対応する構成を含む。

第２の側面に係るブイおよびその好ましい実施の形態は、第１の側面に係る波力発電ユニットおよびその好ましい実施の形態に関して上述したのと同様の技術的利点を有する。

本発明の第４の側面により提供される電気エネルギー生成方法は、本発明に係る波力発電ユニットないしその好ましい実施の形態によって電気エネルギーを生成するという手法を含むものである。

第４の側面に係る当該方法、および、本発明の第３の側面に係る上記使用は、第１の側面に係る波力発電ユニットおよびその好ましい実施の形態に関して上述したのと同様の技術的利点を有する。

本発明は、より詳細には、以下の好適な実施例を通じて、添付図面を参照して、説明される。

図１は、本発明に係る波力発電ユニットの概略断面図である。 図２は、図１のブイの平面図である。 図３は、ブイの第２実施例の平面図である。 図４は、図３のブイの一断面図である。 図５は、ブイの第３実施例の平面図である。 図６は、図５の線ＶＩ−ＶＩに沿った断面図である。 図７は、ブイの更なる実施例の平面図である。 図８は、ブイの更なる実施例の平面図である。 図９は、ブイの更なる実施例の平面図である。 図１０は、ブイの更なる実施例の平面図である。

図１は、本発明に係る波力発電ユニットの原理を示す。ブイ３は、海面２に浮かぶように構成されている。波は、ブイ３に鉛直往復動を与える。リニア発電機５は、海底に固定されたベースプレート８を介して海底に係留されている。ベースプレート８は、コンクリート製であってもよい。ベースプレート８には、リニア発電機５の固定子６ａ，６ｃが固定されている。固定子は、四本の垂直柱状のラミネートスタックを含んでなるが、そのうち二本のみを図示する。リニア発電機５の回転子７は、ラミネートスタック間に配され、且つ、ケーブル４によって浮体３に接続されている。回転子７は、永久磁性材料よりなる。

ベースプレート８は、その中央に開口部１０を有し、開口部１０と同軸の底穴９が海底に形成されている。底穴９は、適切に内張りされていてもよい。底穴９の下端部に対し、引張バネ１１の一端が固定されており、当該バネの他端は、回転子７の下側部に取り付けられている。ベースプレート８の開口部１０および底穴９の直径は、回転子７がそれらの中を自由に移動可能な程度とされている。

各ラミネートスタックは、複数のモジュールにより構成されている。図示する実施例では、各ラミネートスタックが、縦方向に並ぶ三つのモジュール６１，６２，６３に区分されることが示されている。

海面２の波の動きに起因してブイ３が上下動すると、当該上下動は、ケーブル４を介して回転子７に伝えられ、回転子７は、当該上下動に対応してラミネートスタック間で往復運動することとなる。これにより、固定子の巻線に電流が発生する。底穴９が存在するため、回転子７は、その下方運動の際に固定子全体を通過することが可能である。当該下方運動時においても引張りバネ１１が付加的な力を与えるため、ケーブル４は、常に引き伸ばされた状態を保つ。

当該バネについては、所定の状況にて上向きの力を及ぼすように構成してもよい。可能な限り長時間にわたって共振が実現されるように、調整手段２８によってバネのバネ定数を調整可能に構成してもよい。

塩水に耐え得るように、固定子には、全体的または部分的にＶＰＩまたはシリコーンを含浸させておく。

ブイ３が波上に浮かんでいる間、ブイ３が水平方向に押し流されて、ケーブル４が鉛直方向に対して傾くことがある。これによって回転子７が傾いてしまうことを回避することを目的として、リニア発電機５のケーブル入口に、ケーブル４のためのガイド装置３０が設けられている。これにより、ケーブル４が傾くときでさえ、回転子７は、鉛直方向動作を維持し、固定子間の中央正位置に留まる。

ブイ３は、内側中央開口１４を有する環状体である。環状体の横断面の形状は多角形である。当該多角形は、長方形がベースとなっており、図中上側および下側の内側傾斜面と、図中上側の外側傾斜面とを伴う。

ケーブル４は、三本の副ケーブル１２を介してブイ３に接続されており、各副ケーブル１２は、固定具１３を介してブイ３に固定されている。複数の固定具１３は、ブイの周方向に互いに１２０°離れて位置する。

ケーブルの運動を電気エネルギーに変換するための波力発電ユニット一般の機能に関する更なる詳細は、本発明にとって焦点を合わせる必要のある事項ではない。その機能は一般に知られている。当該変換のプロセスに関しては、国際公開第０３／０５８０５５号を参照されたい。

リニア発電機の具体的構成は、図１を参照して説明されるものとは異なるタイプであってもよいことは理解されたい。また、リニア発電機をロータリー発電機に取り替えた構成にも本発明は適用可能である。ケーブル４によって伝えられるエネルギーについて、電気エネルギーを発生させるべく使用される前に様々な機械的変換が行われることもまた、本発明の範囲に含まれる。

図２は、ブイ３を上方から見た図である。

図３および図４は、代替的な実施例、即ち、断面形状が円形である環体形状のブイ３ａを示す。

図１から図４に示すブイは均質材料からなる構造物として図示されているところ、これは、ブイ構成材料が、軽量材料、即ち、水より密度の小さな材料であることを、意味する。しかしながら、多くの場合、環体形状ブイを鋼鉄製の中空の物体とするのが、より適当である。ブイ内の空洞は、空、即ち空気であってもよいし、軽量材料（例えば、多孔性ポリマー）で充たされていてもよい。

図５および図６は、ブイの形状について更なる実施例を示す。本実施例のブイ３ｂは、六本のパイプ１５が溶接されてなり、正六角形をなす。

図７は、図５および図６の実施例に類似の実施例を示す。本実施例のブイ３ｃは、四本のパイプが溶接されてなり、長方形をなす。

図８は、馬蹄形状の浮体１６および連結ロッド１７からなる実施例たるブイ３ｄを示す。

図９に示す実施例たるブイ３ｅは、四個の浮体１６ａ（例えば、両端閉構造の四本のパイプ）および四本の連結ロッド１７ａからなる。

最後に、図１０は、八個の球形浮体１６ｂおよびこれらを連結する連結ロッド１７ｂからなる実施例たるブイ３ｆを示す。

以上の実施例から理解できるように、独立請求項での規定に対応している限り、ブイは、多くの様々な形状を有し得るし、また、様々な態様で組み立てられ得る。

図１および図２に示されているような環体形状のブイの典型的なデータは、以下の通りである。
排水量：９.５ｍ³
外径：４ｍ
内径：２ｍ
高さ：０.８ｍ
重さ：１５００−２０００ｋｇ

これらのデータは、問題になった場合にブイサイズの一般的な印象を与えるためだけのものであり、決して制限的なものではない。

Claims (22)

1. 水面に浮くのに適合したブイ（３〜３ｆ）と、発電機（５）と、前記ブイ（３〜３ｆ）および前記発電機（５）を連結する連結手段（４，１２，１３）とを備え、
   前記ブイ（３〜３ｆ）は、それが水面（２）に浮いた状態で当該水面（２）に直交する方向からそれを見た場合に、内側開口（１４）を囲む閉環形状を有する、ことを特徴とする波力発電ユニット。
2. 前記ブイ（３〜３ｆ）は、内側開口（１４）を囲む前記閉環形状を有する浮体（３〜３ｆ）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の波力発電ユニット。
3. 前記浮体（３ｂ，３ｃ）は、互いに直接接続された複数の節部を含むことを特徴とする、請求項２に記載の波力発電ユニット。
4. 各節部（１５）は、まっすぐなパイプ（１５）であり、各パイプ（１５）は、隣りのパイプと水密接続されていることを特徴とする、請求項３に記載の波力発電ユニット。
5. 各パイプは、円形の横断面形状を有することを特徴とする、請求項４に記載の波力発電ユニット。
6. 各パイプ（１５）は鉄鋼製である、請求項４または５に記載の波力発電ユニット。
7. 前記パイプ（１５）は互いに溶接されていることを特徴とする、請求項６に記載の波力発電ユニット。
8. 前記節部（１５）の数は、３から１２、好ましくは４から８、最も好ましくは６であることを特徴とする、請求項３から７のいずれか一つに記載の波力発電ユニット。
9. 前記節部（１５）の全てが同じ立体寸法を有することを特徴とする、請求項３から８のいずれか一つに記載の波力発電ユニット。
10. 前記浮体（３ｂ）は、正多角形の形状を有することを特徴とする、請求項９に記載の波力発電ユニット。
11. 前記浮体は、水の密度より小さい密度の材料よりなることを特徴とする、請求項２または３に記載の波力発電ユニット。
12. 前記浮体（３，３ａ）は環状体であることを特徴とする、請求項２に記載の波力発電ユニット。
13. 前記環状体（３ａ）は、円形の横断面形状を有することを特徴とする、請求項１２に記載の波力発電ユニット。
14. 前記ブイ（３ｅ，３ｆ）は、連結部（１７ａ，１７ｂ）を介して連結された複数の浮体（１６ａ，１６ｂ）を含み、当該浮体（１６ａ，１６ｂ）および連結部（１７ａ，１７ｂ）は、合わさって、内側開口（１４）を囲む前記閉環形状をなすことを特徴とする、請求項１に記載の波力発電ユニット。
15. 各浮体の形状は、球形（１６ｂ）または円柱形（１６ａ）であることを特徴とする、請求項１４に記載の波力発電ユニット。
16. 各連結部（１７ａ，１７ｂ）は、隣り合う浮体（１６ａ，１６ｂ）間の硬直した連結を確立することを特徴とする、請求項１５に記載の波力発電ユニット。
17. 各浮体は中空構造をとることを特徴とする、請求項１から１６のいずれか一つに記載の波力発電ユニット。
18. 前記連結手段（４，１２，１３）は、前記ブイ（３）における異なる箇所に取り付けられた少なくとも三つの固定具を含むことを特徴とする、請求項１から１７のいずれか一つに記載の波力発電ユニット。
19. 波力発電ユニット用のブイ（３〜３ｆ）であって、それが水面（２）に浮いた状態で当該水面（２）に直交する方向からそれを見た場合に、内側開口（１４）を囲む閉環形状を有する、ことを特徴とするブイ。
20. 前記ブイ（３〜３ｆ）は、請求項２から１８のいずれか一つに記載の波力発電ユニットにおける前記ブイの構成に対応する構成を含むことを特徴とする、請求項１９に記載のブイ。
21. 電気エネルギーを生成するための、請求項１から１８のいずれか一つに記載の波力発電ユニットの使用。
22. 請求項１から１８のいずれか一つに記載の波力発電ユニットによって電気エネルギーを生成することを特徴とする、電気エネルギー生成方法。

Images