JP2011522157A - 高度波力エネルギー変換器の制御 - Google Patents

Abstract

波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）システムは、波に応答して互いに対して移動できる第１および第２の物体、ならびに、２つの物体の相対運動をエネルギーに変換するために、２つの物体間に結合された動力取出（ＰＴＯ）デバイスを含む。センサは、到来する波の選択された特性を検知し、ＷＥＣに対する到来する波の衝撃を予測するための制御コンピュータに印加される信号を生成するために使用される。同時に、ＷＥＣの実際の条件（たとえば、速度）を示す信号はまた、制御コンピュータに供給され、制御コンピュータは、ＰＴＯによって捕捉される平均波パワーが最大になるよう、ＷＥＣのコンポーネントに対して適切な信号（力）を生成するために、予測情報と実際の情報を処理するようにプログラムされる。

Description

本発明は、その内容が参照により本明細書に組込まれる高度波力エネルギー変換器の制御についての２００８年５月３０日に出願された仮出願シリアルナンバー第６１／１３０，５２９号からの優先権を主張する。

本発明は、エネルギーを生成するときの波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）の効率を上げるために、ＷＥＣの応答を制御する装置および方法に関する。本発明はまた、波力エネルギー変換デバイス用の制御システムに関し、より詳細には、波エネルギーをより効率的に捕捉する制御アルゴリズムに関する。

対象となる波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）は、一般に、水塊内に設置され、かつ、波の力にさらされると、互いに対して移動できる第１および第２の物体を含む。通常、フロートまたはシェルと呼ばれる一方の物体は、波と同相で移動するように設計され、支柱またはスパーと呼ばれる他の物体は、波と異なる位相で移動する（２物体型システムをもたらす）か、または、相対的固定して保持される（１物体型システムと呼ばれるものをもたらす）ように設計される。パワー変換メカニズム（または、動力取出、ＰＴＯ、デバイス）は、２つの物体間に接続されて、２つの物体の相対運動をある形態の有効エネルギー（たとえば、電気）に変換する。通常、対象となるＷＥＣは、動力取出（ＰＴＯ）デバイスの動作を調整するための、ＰＴＯの一部であるか、または、ＰＴＯから分離したコントローラおよびデータ・プロセッサを含む。

本発明を実施するときに使用するためのＰＴＯは、第１および第２の物体の相対運動を有効エネルギー（たとえば、電力）に変換することが可能な、ＷＥＣの第１の物体と第２の物体との間に接続された任意の適したデバイスまたはコンポーネント（たとえば、モータ／発電機、リニア発電機、ラックおよびピニオン、あるいは任意の他のメカニズムまたはリンク機構）を含んでもよい。動力取出（ＰＴＯ）の性能および機能は、効率的な方式で波パワーを利用することにとって重要である。一般に、ＷＥＣのＰＴＯの動的挙動は、環境因子と制御因子の組合せによって支配される。環境因子は、ＷＥＣの物体に作用する波誘導力および風誘導力を含む。制御因子は、ＷＥＣの第１の物体および第２の物体に、また、両者の間に加えられる力（複数可）を調整するために使用されてもよいＷＥＣのコントローラおよびデータ・プロセッサによって支配される。

ＷＥＣシステムは、ＷＥＣおよびＰＴＯの応答を予測するために使用されうる数学的表現を生成するためにモデル化されうる。異なるＷＥＣおよびＰＴＯシステムは、異なる方法で応答する可能性がある。特定のＷＥＣおよびそのＰＴＯが種々の刺激に応答する方法は予測されうる。そのため、２つの物体（たとえば、フロートおよびスパー）の相対運動に対するＰＴＯの応答は、定義されるかまたはモデル化されうる。同様に、ＰＴＯに供給されるエネルギーに対するＷＥＣの応答（移動）もまた定義されるかまたはモデル化されうる。モデルが良ければ良いほど、ＷＥＣおよびＰＴＯについての数学的に予測される応答が正確である。数学的予測（複数可）は、システムの効率を上げるために、ＰＴＯの同調および／またはＰＴＯのポジショニングおよび／またはＰＴＯへの／からの電力の注入／抽出を制御するために使用されてもよい。これは、ＷＥＣのコンポーネント（たとえば、フロート、スパー、ＰＴＯ）に、また、それらの間に結合されたコントローラおよびデータ・プロセッサの組込みを仮定する。波の移動に応答して互いに対して移動する２つの物体間に接続され、２つの物体の相対運動を有効エネルギーに変換するＰＴＯの挙動は、効率的な方式で波パワーを利用するときに重要である。

通常、電力は、ＰＴＯから抽出される。しかし、時として、２つの物体（フロートおよびスパー）の相対運動から得られる平均電力を最適化するために、ＰＴＯに電力を供給し、２つの物体の相対運動をＰＴＯに制御させるかまたは調整させることが望ましい。先に述べたように、２つの物体は、移動するように設計されてもよく、または、他の物体が固定して保持された状態で、一方の物体だけが移動するように設計されてもよい。

ＷＥＣによって生成される電力を最適化するために、ＷＥＣシステムは、到来する波の選択された特性を検知し、到来する波についての「予測（predictive）」情報をＷＥＣに提供するために、ＷＥＣからある距離のところで「上流に（upstream）」配置された波センサを含んでもよい。移動する浮遊物体の特性のために、最適なパワー捕捉には、数秒後に到達する波に対するＷＥＣおよびＰＴＯの動きが必要となるため、予測情報が望まれる。そのため、対象となるシステムは、ＷＥＣに衝突することが予測される波の性質を確定するために、到来する波の振幅（高さ）および周波数などの選択された特性を検知する波検知（一般に、ＷＥＣの外部）および予測サブシステムを含む。波予測サブシステムは、その信号を制御コンピュータに供給し、制御コンピュータは、その後、ＷＥＣの平均電力出力を最適化しようとしてＰＴＯを制御するまたは調整する（ＷＥＣから電力を供給すること、および／または、抽出することを含んでもよい）。

しかし、予測される波Ψ_Ｐが、ＷＥＣに衝突する実際の波Ψ_Ａと異なる可能性がある点で、問題が存在する。差は、いくつかの異なる因子による可能性がある。１つの因子は、波予測サブシステムの波検出サブシステムが、サンプリングの不正確さを受け、予測誤差をもたらすことである。同様に、ＷＥＣに入る実際の波を、予測される波と異なるようにさせる、多くの異なる流れおよび大気条件が存在する。予測される波Ψ_Ｐと実際の波Ψ_Ａとの差は、「波誤差（wave error）」として定義されてもよい。予測される波Ψ_Ｐと異なる実際の波Ψ_Ａが、ＷＥＣに衝突する場合、また、衝突するとき、ＷＥＣコンポーネント（たとえば、ＰＴＯおよび浮遊物体）は、衝突する波に対する応答を最大にするための、その最適位置に位置決めされていない可能性がある（また、実際には、最適位置からかなり遠くに位置決めされている可能性がある）。その結果として、ＷＥＣの応答が効率的でなくなる。

知られている従来技術の方法では、予測される波に対応する情報および予測される波がＷＥＣに衝突するという仮定に対して完全な信頼が置かれる。これは、ＷＥＣに実際に衝突する波が、予測される波と異なるときに著しい誤差をもたらす。したがって、従来技術のスキームは、満足できるものではない。さらに、十分に正確な波予測を提供しうる経済的に実行可能な、知られているシステムが存在しない。そのため、知られている予測システムに関する問題が、波誤差が存在するときに（たとえば、ＷＥＣに実際に衝突する波が、予測される波と異なるときに）起こる。

仮出願シリアルナンバー第６１／１３０，５２９号

出願人の発明は、一部には、波力エネルギー変換器(wave energy converter)（ＷＥＣ）に衝突する「実際の（actual）」波（ＷＥＣによって見られる実際の力を決定する）が、期待される、または、「予測される（predicted）」波と著しく異なる可能性があるため、到来する波に関連する予測情報にだけ頼ることは、最適な結果をもたらさないという認識に存在する。そのため、ＷＥＣコンポーネントを位置決めし移動させるために、予測情報にだけ頼ることは、ＷＥＣコンポーネントが、その最適位置（複数可）に位置決めされず、最適運動を受けない可能性があるため、「波誤差(wave error)」を補償せず、最適以下の結果をもたらす。

出願人の発明は、ＷＥＣを制御するために、「予測（predictive）」信号および「実際の」信号の組合せを使用する方法および装置を含む。信号の組合せは、一部には、波センサから得られる予測情報への、また、一部には、ＷＥＣのコンポーネントの実際の応答（たとえば、相対速度）への信頼を含む。これらの信号の適切な選択および組合せは、誤差の小さい改良型制御システムおよびより大きな電力効率をもたらすＷＥＣシステムをもたらす。

本発明を具現化するＷＥＣシステムは、到来する波の振幅（および／または、周波数などの他の選択された特性）を検知するための、一般にＷＥＣの外部にあるセンサ、および、データ処理能力を含む制御コンピュータに、対応する「予測」信号を供給する波検知および応答性サブシステムを含む。ＷＥＣの選択された実際の条件（たとえば、速度）を表す信号はまた、制御コンピュータに供給され、制御コンピュータは、ＰＴＯによって捕捉され、かつ、負荷に利用可能にされる平均波パワーが最大になるように、ＷＥＣのコンポーネントに対して適切な信号（力）を生成するために、予測される情報と実際の情報を処理するようにプログラムされる。

制御コンピュータのプログラミングは、以下で説明されるように、ＷＥＣの数学的モデルおよび種々の条件に対するその応答に基づいてもよい。本発明によれば、ＷＥＣの数学的モデリングに基づいて、（電力がＷＥＣによって生成されているときに）ＷＥＣによってＰＴＯに加えられる力である力Ｆ_１またはＦ_ＰＴＯ、および／または、（電力がＷＥＣによって消費されているときに）ＰＴＯによってＷＥＣに加えられる力は、
Ｆ_ＰＴＯ＝Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）−β（Ｖ_Ｐ−Ｖ_ＡＣＴ） 式１
として確定される。
式中、
（ａ）Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）は、予測される波に基づいて、ＷＥＣによってＰＴＯに加えられる力、および／または、ＰＴＯによってＷＥＣに加えられる力であり、
（ｂ）Ｖ_Ｐは、予測される波に応答するＷＥＣの予測される速度であり、
（ｃ）Ｖ_ＡＣＴは、ＷＥＣを構成する複数の物体（または、１つの物体）の実際の（瞬時の）相対運動を反映する選択された１つの点（または、複数の点）を検知することによって確定されうるＷＥＣの「実際の」または瞬時の速度であり、
（ｄ）βは、
ｉ−ＰＴＯの選択された複素機械インピーダンスであるＺ_ＰＴＯ、および、
ｉｉ−βが、ωに関して一定であるか、または、ωに関して因果関数であるという制約を受けて、Ｚ_ＰＴＯの選択された条件（たとえば、支配的な波周波数についてのＺ_ＰＴＯの値）について、項（Ｚ_ＰＴＯ−β）（Ｖ_Ｐ）を最小にすることになるβの値
を計算することによって確定される。

例によれば、本発明を具現化する方法は、
（ｉ）ＷＥＣ幾何形状および支配的な波条件に固有であるΓ_β（ω）と呼ばれる数学的関数を得ること、
（ｉｉ）波予測サブシステムから波予測信号を得ること、
（ｉｉｉ）実際のＰＴＯ／ＷＥＣの速度および／または位置の瞬時測定値を得ること、
（ｉｖ）所望のＰＴＯ力（因果的力、Ｆ_Ｃ）のある部分を、実際のＰＴＯの速度に定数（β）を乗じた値に比例するものとして計算することであって、βの値は、Ｚ_ＰＴＯの選択された条件（たとえば、支配的な波周波数についてのＺ_ＰＴＯの値）について、項（Ｚ_ＰＴＯ−β）を最小にするように選択され、Ｚ_ＰＴＯは、図９（ＷＥＣの特定の例についての複素ＰＴＯインピーダンスの実数部および虚数部を示す）に示す特性を有してもよい、計算すること、
（ｖ）所望のＰＴＯ力（因果的力、Ｆ_Ａ）の第２の部分を、上記ステップ（ｉ）からのΓ_β（ω）関数およびステップ（ｉｉ）からの波予測に応じた、うまく定義された数学的演算の結果であるとして計算すること、
（ｖｉ）２つのＰＴＯ力を加算することであって、それにより、所望の全体の力（Ｆ_１＝Ｆ_ＰＴＯ＝Ｆ_Ａ＋Ｆ_Ｃ）を得る、加算すること、および、
（ｖｉｉ）その力をＰＴＯに加えること
を含む。

添付図面では、同じ参照文字は同じコンポーネントを示す。

本発明を実施するのに適するＷＥＣの略ブロック図である。 本発明による「外側ループ（outer loop）」制御システムのフローチャートである。 本発明を実施するときに使用するための「波予測（wave prediction）」システムのフローチャートである。 本発明によるＦ_ｐｔｏを計算する「内側ループ（inner−loop）」制御システムのフローチャートである。 本発明の一態様による情報の処理および制御を示すフロー図である。 ＷＥＣの実際の速度を得るための例証的な図である。 ＷＥＣの実際の速度を得るための例証的な図である。 本発明および従来技術による、時間領域の最適な力応答伝達関数の波形状表現の図である。 対象となるＷＥＣ幾何形状についての、最適ＰＴＯインピーダンス（Ｚ_ＰＴＯ）の実数部および虚数部の関数形態を示す図である。 βの所与の値についての、関数Γ_０（ω）およびΓ_β（ω）の周波数領域のグラフである。 ＷＥＣシステムに本発明の概念を適用することの利益を示すことを意図された例証的な波形図である。 ＷＥＣシステムに本発明の概念を適用することの利益を示すことを意図された例証的な波形図である。 ＷＥＣシステムに本発明の概念を適用することの利益を示すことを意図された例証的な波形図である。 ＷＥＣシステムに本発明の概念を適用することの利益を示すことを意図された例証的な波形図である。 波誤差に関して、従来技術の方法に比べて、本発明の方法を使用して改善された特性を示す、数値モデルの結果を示すグラフである。

図１は、本発明を実施するときに使用するための波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）システムの主要なコンポーネントを示す。ＷＥＣは、第１の物体またはフロート１００および第２の物体またはスパー２００を含む。第１の物体（たとえば、フロート）は、概して波と同相で移動するように設計され、第２の物体（たとえば、スパー）は、概して波と異なる位相で移動するか、または、機械的グラウンドに相対的に固定されて保持されるように設計される。動力取出（ＰＴＯ）デバイス３００は、第１の物体と第２の物体との間に結合され、第１および第２の物体の相対運動を有効エネルギーに変換し、第１および第２の物体から動力を受取るか、または、第１および第２の物体へ動力を伝達することが可能である。ＰＴＯは、この機能を実施しうる任意の適したデバイスであってよい。２つの物体は、ＰＴＯと共に、波力エネルギー変換器すなわちＷＥＣを構成する。

到来する波６００に応答する、上流の波検出システム５００からの信号は、波予測サブシステム７００に供給され、波予測サブシステム７００の信号は、コンピュータ・コントローラ４００と共に機能するデータ・プロセッサ４０２に供給される。コンピュータ／コントローラ４００は、プログラミング能力および拡張型データ格納能力４０４を含んでもよく、それらは全て、本発明を実施するために、ＷＥＣに関するデータを格納するため、また、信号を生成するための種々の計算を補助するためにプロセッサ４０２にとってアクセス可能である。たとえば、ＷＥＣシステムに実際に衝突する波の高さに関するデータが格納される。サブシステム７００は、コンピュータ４００と独立であってよく、または、コンピュータ４００の一部であってよい。実際の波センサは、入ってくる波の検知を可能にする任意の好都合な地点に配置されてもよい。波検出システム５００および波予測サブシステム７００は、到来する波（複数可）を解析して、対応する期待されるまたは予測される速度（Ｖ_Ｐ）および予測情報に基づいてＷＥＣ／ＰＴＯが受けるべきである力［Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）］を確定し、対応する信号をプロセッサ４０２に供給するように機能する。

ＷＥＣの「実際の」速度（すなわち、第１および第２の物体の相対運動）を示す信号もまた、コントローラ４００に適用される。ＷＥＣ（またはＰＴＯ）の実際のまたは瞬時の速度は、フロートおよびスパーの相対速度を指す。すなわち、フロートおよびスパーは共に、互いに対して移動してもよく、または、一方が固定され、他方が移動してもよい。速度は、直線または回転運動を含む、ＷＥＣを構成する物体の任意の相対運動を指してもよい。図１は、第１および第２の物体（１００、２００）に結合され、ＰＴＯおよびコンピュータ／プロセッサ４００、４０２に結合された出力を有する位置または速度センサ８００を示す。センサ８００は、物体１００、２００の位置を検知するために使用されてもよく、その信号は、第１および第２の物体の実際の相対速度（Ｖ_ＡＣＴ）を計算するために（デバイス８００またはＰＴＯまたはプロセッサによって）使用される。あるいは、実際の相対速度は、ＰＴＯ内に含まれるコンポーネントから直接得られてもよい。Ｖ_ＡＣＴは、ＷＥＣまたはＰＴＯのＶ_ＡＣＴを指すために交換可能に使用される。

そのため、コンピュータ・コントローラ４００およびプロセッサ４０２は、データベースおよびデータ処理能力を含み、ＰＴＯ３００に制御信号を選択的に供給するために、到来する（「予測される」）データおよび「実際の」データを処理するようにプログラムされる。本発明によれば、ＷＥＣ内に存在する（「予測される」と対照的な）「実際の」または「瞬時の（instantaneous）」条件（たとえば、速度）は、（たとえば、内部または外部検知メカニズムによって）検知され、「予測される」波（複数可）に関する情報を処理するように同様に機能するコンピュータ・コントローラ４００に給送されて、ＷＥＣ／ＰＴＯに対して、これらの信号に対応する力が生成される。

先に説明したように、「予測される」信号は、いくつかの因子のために誤っている可能性がある。そのため、予測される情報は、パワー捕捉を最適化するための所望の条件にＷＥＣコンポーネントをセットアップするために、非常に望ましくかつ必要であるが、予測される情報に関連する誤差がほぼ常に存在することになること、および、これらの誤差の影響が最小にされるべきであることを、出願人は認識した。出願人の発明は、一部には、ＷＥＣ／ＰＴＯの実際の条件を検知すること、および、実際の情報を検知された情報と組合せることが、より最適な動作を生成し、より大量の平均パワー捕捉およびより大きな効率をもたらすために使用されうることに存在する。

本発明は、幅広いクラスの波力エネルギー変換器と共に使用するために適用可能であり、幅広いクラスの波力エネルギー変換器は、波に応答する、かつ／または、海底に対して強固な接続を有してもよい、かつ／または、ヒーブで、または、別の自由度（サージ、スウェイ、ピッチ、ロール、ヨー）で応答してもよく、または、これらの自由度の任意の組合せで応答してもよく；かつ／または、振動性水柱または水はしけなどのデバイスを含んでもよい、１つまたは複数の物体を有するＷＥＣを含む。本発明はまた、直接リンク機構あるいは空気圧または水圧リンク機構を含んでもよい幅広いクラスの動力取出デバイスと共に使用するために適用可能である。

説明を容易にするために、本発明は、図１に示すように、（ａ）概して波と同相で移動するように設計された第１の物体と、（ｂ）概して波と異なる位相で移動するように設計された第２の物体と、ここで、これらの２つの物体のうちの少なくとも一方は一般に流体力学的波力に応答性がある、（ｃ）２つの物体間に結合されたＰＴＯであって、（ｉ）一般に２つの物体の相対運動を有効エネルギーに変換し、（ｉｉ）ＷＥＣの効率の増加を達成するために、２つの物体が互いに対して移動するように選択的にさせるデバイスと見なされてもよい、ＰＴＯとを有するＷＥＣを参照して述べられる。

本発明をよりよく理解するために、数値モデリングに適用しうるＷＥＣシステムの簡略化した数学的表現が、以下の式２および式３に示される。図１を参照して、これらの式は、スパー２００が固定して保持され、フロート１００が概して波と同相で移動する傾向があると仮定して得られる。

式中、
Ｘ_ＷＥＣは、スパーに対するフロートの位置を示し、
Ｆ_ｗａｖｅは、フロートに作用する励起力を指し、
Ｆ_ＰＴＯは、ＰＴＯによってフロートおよびスパーに加えられる力を指し、
Ｂは、ＰＴＯ力と、フロートとスパーの相対運動との間の抵抗性関係を指定するある比例定数である。

式２は、単一物体波力エネルギー変換器についてのダイナミック運動方程式である。ＷＥＣに対する２つの力、波の力（Ｆ_ＷＡＶＥ）および動力取出デバイスの力（Ｆ_ＰＴＯ）が存在する。ダイナミック運動方程式（式２）の解は、Ｆ_ＰＴＯ（式３）の数学的表現の知識を必要とする。

式２および式３を周波数領域で書き直すことが望ましい。
Ｖ_ＰＴＯ（Ｚ_Ｉ＋Ｚ_ＰＴＯ）＝Ｆ_ＷＡＶＥ 式４

式２および式３から式４を導出するために、ダイナミック変数Ｘ_ＷＥＣは、ＰＴＯの速度（Ｖ_ＰＴＯ）で置換され、慣性項

は、より一般的なＶ_ＰＴＯＺ_Ｉで置換され、ここで、Ｚ_Ｉは固有の機械インピーダンスであり、式３は、以下のように書き直される。
Ｆ_ＰＴＯ＝Ｚ_ＰＴＯＶ_ＰＴＯ 式５

式４内の全ての量は、複素数でかつ周波数依存性がある可能性がある。（複素数が物理量を表すのに使用されるとき、複素数の実数部が、物理量を表すと考えられる。）

一般に、Ｚ_ＰＴＯは、波とＰＴＯとの間のパワー伝達を最大にするように選択されることに留意されたい。さらに、最も一般的なクラスのＺ_ＰＴＯ値の場合、式５におけるＦ_ｐｔｏの計算は、波の予測知識を必要とする。ＰＴＯインピーダンスＺ_ＰＴＯが定義されると、式４は、知られている数学的方法によって解かれてれもよい。速度Ｖ_ＰＴＯは、以下のように、Ｆ_ＷＡＶＥ、Ｚ_Ｉ、およびＺ_ＰＴＯの関数として表されてもよい。

式６で表されるＶ_ＰＴＯについての解を用いて、Ｆ_ＰＴＯについて解くことが望ましい。

予測情報に基づいて、ＰＴＯ力が、
Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）＝Ｚ_ＰＴＯＶ_Ｐ 式８
として表されてもよいことを、出願人は認識した。
式中、
（ｉ）Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）は、予測される波に基づく、ＷＥＣによってＰＴＯに加えられる力、および／または、ＰＴＯによってＷＥＣに加えられる力であり、
（ｉｉ）Ｖ_Ｐは、ＷＥＣの予測される速度であり、
（ｉｉｉ）ＰＴＯのＺ_ＰＴＯは、パワー伝達を最適化するように選択される。
Ｖ_Ｐは、それ自体、Ｚ_ＰＴＯの関数であるため、式８は、数学的に複雑であることが留意されるべきである。しかし、Ｆ_ＰＴＯのこの表現は、本発明の性質を明確にするのに有用である。
Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）についての式８は、
Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）＝Ｚ_ＰＴＯＶ_Ｐ＝Ｚ_ＰＴＯＶ_Ｐ−βＶ_Ｐ＋βＶ_Ｐ＝（Ｚ_ＰＴＯ−β）Ｖ_Ｐ＋βＶ_Ｐ 式９
として書き直されてもよいことを、出願人はさらに認識した。上記式９において、βが一定の制約を満たす（たとえば、βが因果作用素である）場合、（Ｚ_ＰＴＯ−β）Ｖ_Ｐ項は、非因果的力（Ｆ_Ａ）を表し、βＶ_Ｐは、因果的力（Ｆ_Ｃ）を表す。ここで、（ａ）本明細書で使用される非因果的力（Ｆ_Ａ）は、確定される（計算される）ために、ある程度の予測情報（たとえば、将来のある時間における波の高さ）を必要とする力として定義されてもよく、（ｂ）本明細書で使用される因果的力（Ｆ_Ｃ）は、予測情報を全く使用することなく計算される可能性がある力として定義されてもよい。さらに、βは因果作用素（たとえば、定数）であり、因果作用素は、定義上、ＰＴＯの速度（Ｖ_Ｐ）などの量によって乗算されるために、将来の（予測される）知識を全く必要としないことを、出願人は認識した。予測知識が全く必要でないため、Ｖ_ＰをＶ_{ａｃｔｕａｌ}で置換することが可能である。したがって、因果的力Ｆ_Ｃ＝βＶ_Ｐは、βＶ_{ＡＣＴＵＡＬ}で置換されてもよく、誤差が減少した状態で、必要とされる力Ｆ_ＰＴＯは、
Ｆ_ＰＴＯ（Ｎ）＝Ｆ_Ｉ＝（Ｚ_ＰＴＯ−β）Ｖ_Ｐ＋βＶ_{ＡＣＴＵＡＬ} 式１０
として表されてもよい。
式中、Ｆ_ＰＴＯ（Ｎ）（またはＦ_ＰＴＯ）は、本発明による、ＷＥＣによってＰＴＯに加えられる力、および／または、ＰＴＯによってＷＥＣに加えられる力である。

式１０では、因果的力Ｆ_Ｃは、βＶ_ＡＣＴを計算することによって確定され、非因果的力（Ｆ_Ａ）は、（Ｚ_ＰＴＯ−β）Ｖ_Ｐとして確定される。ここで、（ａ）Ｖ_ＡＣＴは、ＷＥＣの実際の速度であり、（ｂ）（Ｚ_ＰＴＯ−β）が最小になるため、非因果的力（Ｆ_Ａ）が、波誤差に対して比較的感度が低くなるようにさせるβの値が選択されうる。

Ｆ_ＰＴＯ（Ｎ）が、
Ｆ_ＰＴＯ（Ｎ）＝（Ｖ_Ｐ）（Ｚ_ＰＴＯ）−β（Ｖ_Ｐ−Ｖ_ＡＣＴ） 式１１
として書き直されてもよいことに留意されたい。

そのため、式１１は、波誤差が存在しない場合、Ｖ_Ｐ＝Ｖ_ＡＣＴおよび項β（Ｖ_Ｐ−Ｖ_ＡＣＴ）は、ゼロになり、予測される値の補正についての必要性が存在しない。波誤差が存在する場合、本発明を実施することは、波誤差を補償し、パワー捕捉の損失を低減する。

ＷＥＣを動作させるためのこれらの制御信号の実施態様は、波誤差が存在するときに、著しく大きな量の平均パワーの生成をもたらす。単一周波数の場合、生成される平均パワーＰ_ＡＶＧは、

として表されてもよい。式中、

は、Ｆ_Ａの複素共役を示し、Ｒｅ［］は、括弧内の量の実数部を示す。

本発明の実施態様は、図５を参照して説明されてもよい。図５のブロック７０１〜７１３は、プロセッサ４０２およびプログラマブル・コントローラ４００の一部であってよいことに留意されたい。検知された波高さ情報は、ＷＥＣのモデリングに関する情報を含み、波高さの変化に対するＷＥＣの反応を計算することが可能なデータベースおよびプロセッサ７０１に適用される。プロセッサ７０１は、その後、（ａ）ＰＴＯ力信号Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）、および、（ｂ）ＷＥＣの期待される／予測される速度を示す信号Ｖ_Ｐを生成しうる。ＰＴＯのインピーダンス（Ｚ_ＰＴＯ）は、ＷＥＣの種々の条件について確定され、波およびＺ_ＰＴＯに相当するデータは、データベース・セクション７０３（実際には、７０１の一部であってよい）または任意の他の適したサイトに格納される。予測される速度信号（Ｖ_Ｐ）は、その後、信号（Ｚ_ＰＴＯ）Ｖ_Ｐを生成するために、ソフトウェア／ハードウェア７０３によって処理されてもよい。信号（Ｚ_ＰＴＯ）Ｖ_Ｐは、その後、積（Ｚ_ＰＴＯ−β）（Ｖ_Ｐ）を生成するために、ソフトウェア／ハードウェア７０５によって修正されうる。βの適切な値は、項（Ｚ_ＰＴＯ−β）（Ｖ_Ｐ）を最小にするように選択されてもよい。たとえば、波の支配的な周波数においてＺ_ＰＴＯの値に近く、信号（Ｚ_ＰＴＯ−β）（Ｖ_Ｐ）を最小にするように機能するβの値が選択されてもよい。βの値またはβの任意の他の値を最小にすることは、所定の条件に応じて、使用するために選択されてもよいことに留意されたい。本発明の好ましい実施形態では、βは、選択された間隔にわたって定数であり、一方、Ｚ_ＰＴＯは、波周波数の関数として変わる。そのため、βの最良値は、波の支配的な周波数においてＺ_ＰＴＯを消去する値である。βの選択された値について、積（Ｖ_Ｐ）（β）は、処理ステップ（ボックス７０７を参照）によって得られうる。積（Ｖ_Ｐ）（β）は、Ｆ_ＰＴＯの予測される因果的力の部分を表すと考えられうる。次のステップは、Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）から積（Ｖ_Ｐ）（β）を引いて、Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）の非因果的成分Ｆ_Ａ、Ｆ_Ａ＝［Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）−（Ｖ_Ｐ）（β）］を、ボックス７０９によって示す処理ステップからの出力として得ることである（ボックス７０９を参照）。ＰＴＯ力の実際の因果的成分Ｆ_Ｃは、処理ステップ７１１で示すように、選択されたβでＷＥＣ速度の実際の値（Ｖ_ＡＣＴ）を乗じて、［Ｖ_ＡＣＴ（β）］の積を生成することによって得られる。実際の因果的力［Ｆ_Ｃ＝（Ｖ_ＡＣＴ）（β）］は、その後、ボックス７１３に示すように、予め決定された非因果的力［Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）−（Ｖ_Ｐ）（β）］に加算されて、修正されたＰＴＯ力を生成してもよく、波予測誤差が存在するときに、より大きな平均パワーの生成をもたらすことになる。図に示すように、ボックス７１３で示す処理ステップの出力は、
｛Ｆ_１＝［Ｆ_Ａ＋Ｆ_Ｃ］＝［Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）−（Ｖ_Ｐ）（β）］＋（Ｖ_ＡＣＴ）（β）＝［Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）−β（Ｖ_Ｐ−Ｖ_ＡＣＴ）］｝
をもたらす。

本発明に従ってＷＥＣシステムを動作させることは、波誤差が存在するとき（通常の動作状態である）、システムによって生成される平均パワーの著しい増加をもたらす。

例によれば、本発明を実施するために使用される所望の値を計算するための種々のステップは、図２、３、および４に示される。

図２は、検知された到来する波が、その特性およびその状態の任意の変化を確定するために処理されること（ボックス２１を参照）、および、このサンプリング・プロセスが、選択された間隔で起こること（ボックス２９を参照）を示す簡略化したフローチャートである。波の場に存在する周波数範囲が評価される（ボックス２３を参照）。波の位相（示さず）が解析されてもよい。プロセスにおける別のステップ（ボックス２５を参照）は、波の場の周波数範囲にわたって、式２６（以下を参照）において周波数領域で関数Γ_β（ω）を最小にするβを選択することである。さらなるステップ（ボックス２７を参照）は、式２７に従って時間領域で関数Γ_β（ｔ）を確定することを含む（以下を参照）。別のステップ（ボックス２９を参照）は、到来する波が、選択された間隔で（たとえば、５分ごとに）サンプリングされることを示す。サンプリング時間間隔は、波の変化レートに応じて、増減されてもよい。こうして、図２は、本発明を実施するために使用されてもよい「外側ループ（outer−loop）」制御システムと呼ばれてもよいものを示す。図２は、本発明が、支配的な波特性に依存する方法で最もよく実施されることを強調する。すなわち、支配的な波条件に依存する因果的および非因果的制御を確定するための手段／プロセスが含まれる。

図３は、検知された到来する波の振幅が、その特性およびその状態の任意の変化を確定するために処理されることを示すフローチャートである。１つのステップ（ボックス３１を参照）では、到来する波の高さが、ＷＥＣから上流の地点で測定される。波伝播のモデルに基づいて（ボックス３３を参照）、検知された到来する波に相当する、ＷＥＣにおける波の高さについての予測が行われうる（ボックス３５を参照）。情報は、その後、プロセッサで処理される（図４のボックス４５を参照）。

図４は、本発明を実施する基本処理ステップを示すフローチャートである。ステップは、予測される波の選択された特性の収集および確定、ならびに、因果的力（Ｆ_Ｃ）および非因果的力（Ｆ_Ａ）の計算、Ｆ_ＰＴＯの計算、およびＰＴＯへのＦ_ＰＴＯの適用を含む。図４に詳述されるように、Ｆ_Ａは、図３のボックス３５に示すステップからの出力を取得し、図４のボックス４５および４６に示すようにその情報を処理することによって得られてもよい。これは、Ｆ_Ａを生成するために、以下の式２８に示す畳込み積分から非因果的力を計算することを含む。同時に、図４は、ＰＴＯの実際の速度（Ｖ_ＡＣＴ）が得られ（ボックス４７を参照）、因果的項Ｆ_Ｃを計算するためにシステムに適用されることを示す。Ｆ_ＡおよびＦ_Ｃについての情報は、加算されて（ボックス４９を参照）、本発明による、ＰＴＯに適用される力Ｆ_１に相当する信号が生成される。

したがって、本発明を具現化する方法は、
（ｉ）ＷＥＣ幾何形状および支配的な波条件に固有の数学的関数（Γβと呼ぶ）を得ること、
（ｉｉ）波予測サブシステムから波予測信号を得ること、
（ｉｉｉ）ＰＴＯ速度の瞬時測定値を得ること、
（ｉｖ）所望のＰＴＯ力のある部分を、ＰＴＯの速度に定数（β）を乗じた値に比例するものとして計算することであって、βの値は、ＷＥＣの特定の例についての複素ＰＴＯインピーダンスの実数部および虚数部を示す図９を参照して、以下に述べるように選択される、計算すること、
（ｖ）所望のＰＴＯ力の第２の部分を、ステップ（ｉ）からのΓ_β関数およびステップ（ｉｉ）からの波予測に応じた、うまく定義された数学的演算の結果であるとして計算すること、
（ｖｉ）２つのＰＴＯ力を加算することであって、それにより、所望の全体の力を得る、加算すること、および、
（ｖｉｉ）その力をＰＴＯに加えること
を含んでもよい。

簡単な波力エネルギー変換システムとより複雑な波力エネルギー変換システムの両方に適用可能な簡略化された数学的モデルがここで説明される。ＷＥＣのこの数学的モデルは、以下の部分、すなわち、（ａ）固有の機械インピーダンスＺ_Ｅを有する波応答性（相互作用）物体、（ｂ）その機械インピーダンスがＺ_ＰＴＯとして選択されるＰＴＯデバイス、および、式

によって支配される流体力学的波励起力Ｆ_ＷＡＶＥに対する応答を表すと解釈されてもよい。
式中、Ｖ_ＰＴＯは波応答性物体の速度であり、Ｚ_Ｅは固有の機械インピーダンスであり、Ｆ_ＷＡＶＥは、波応答性物体に作用する流体力学的波励起力である。流体力学的波励起力Ｆ_ＷＡＶＥはまた、
Ｆ_ＷＡＶＥ≡ηχ_Ｅ 式１３
として表されてもよい。
式中、
ηは、ＷＥＣが存在しないときに測定されることになるＷＥＣの場所における水の瞬時表面高さであり、
χ_Ｅは、波励起力応答である。波励起力応答は、水深と物体の幾何形状の関数である。式１２において、Ｖ_ＰＴＯは、Ｆ_ＷＡＶＥが流体力学的トルクを表すように回転自由度を表してもよいため、角速度を表すことになることに留意されたい。

ＰＴＯにおける力Ｆ_ＰＴＯは、
Ｆ_ＰＴＯ＝Ｚ_ＰＴＯＶ_ＰＴＯ 式１４
に等しい。
ＰＴＯによって吸収される瞬時パワーは、

として表されうる。
式中、

は、Ｆ_ＰＴＯの複素共役である。

図１に示すタイプの波吸収体の場合、式１２、式１３、式１４、および式１５は、スパー２００が固定して保持される場合、または、スパー２００が移動することを許容される場合について導出されてもよい。フロート１００が波と同相で移動し、スパー２００が固定して保持される場合、機械インピーダンスＺ_Ｅは、

として表されうる。
式中、ωは角周波数であり、Ｍは、変位した質量および流体力学的に付加された質量を含む物体１００の質量であり、Ｂは、物体１００の流体力学的放射減衰であり、Ｃは、（ｇ）（Ｓ）（ρ）として定義される流体静力学的回復力であり、ここで、ρは水の密度であり、ｇは重力加速度であり、Ｓは物体１００の水面の面積である。量Ｍ、Ｂ、およびＣは、物体の形状および水深の関数であり、適切なモデリングによって確定されてもよい。

スパー２００が固定して保持されない場合、式１２、式１３、式１４、および式１５は、依然として有効である。機械システムの固有インピーダンスは、もはや式１６によって指定されず、知られている技法を使用して確定されてもよい。

既に説明したように、Ｚ_ＰＴＯが最適パワー変換効率を提供するために、ＰＴＯインピーダンスＺ_ＰＴＯは、

であるように、固有インピーダンスＺ_Ｅの複素共役に等しくなるように選択されてもよい。Ｚ_ＰＴＯについてこの表現が与えられると、最適なＰＴＯ速度は、

として表されてもよい。式中、Ｒｅ［］は、括弧内の量の実数部を示す。Ｆ_Ｅ＝ηχ_Ｅであることに留意し、

を定義する。以下の表現が、最適なＰＴＯ速度について得られてもよい。

式２０は、

の解が、波の高さの予備知識を必要とするため、因果的でない表現を定義することに留意されたい。数学的には、これは、この式が、畳込みとして表されなければならないからであり、関数Λが、時間の負値について非ゼロ値を有するため、Ｖ_ＰＴＯの計算は、時間の正値について（すなわち、将来において）、波の高さηの知識を必要とする。

波の高さが、

が計算されるように、十分に遠い将来にわたってわかっている場合、ＰＴＯは、Ｖ_ＰＴＯが、強制的に

になるように制御されてもよい。式２０で表されるこのタイプの制御は、ＰＴＯの速度Ｖ_Ｅを制御するためにフィードバック・ループが使用されるため、フィードバック則と呼ばれてもよい。

を生成するために、Γ_０＝ΛＺ_ＰＴＯを定義することによって、「フィードフォワード（feedforward）」則を構築することも可能である。これは、最適なＰＴＯ力について以下の表現を生成するために使用されうる。

式２２は、式２０のように非因果的なＷＥＣについての制御則を定義する。この方法は、制御アルゴリズム計算の出力が、閉ループ制御が無い状態でＰＴＯに加えられる力であるため、フィードフォワード則と呼ばれてもよい。この方法はまた、式２２における

の計算が、将来の時間における波の高さの知識を必要とするため、非因果的である。式２０および式２２は共に、周波数領域の乗算として書かれる。これらの式を時間領域で表現するために、基本的な作用素（式２０の場合Λ、また、式２２の場合Γ_０）が、フーリエ変換によって周波数領域から時間領域へ変換されなければならず、また、その後、乗算が、畳込み積分として実行されなければならない。周波数領域におけるΓ_０の明示的な表現は、以下で式２３に示される。時間領域においてΓ_０についての表現をもたらすフーリエ変換演算は、以下で式２４に明示的に示される。時間領域におけるΓ_０についての明示的な表現および波の高さの時系列データセットη（ｔ）によって、畳込み積分を実行し、そして、ＰＴＯに加えられる力（Ｆ_ＰＴＯ）を計算することが可能である。この畳込み積分は、式２５に明示的に示される。式２５における積分の制限が、全ての時間にわたって拡張されるべきであることが留意されるべきである。しかし、図８に示すように、Γ_０関数は、比較的小さい値に減少し、積分は、したがって、時間ｔ_ｓ−Ｔ_Γ＋およびｔ_ｓ＋Ｔ_Γ−において打切られてもよい。

Γ_０（ｔ）＝∫Γ_０（ω）ｅ^−ｉωｔｄω 式２４

本発明の重要な態様は、従来技術の最適フィードフォワード力

（式２２で定義される）が、共に加算されて最適フィードフォワード力になり、かつ、所望の特性を個々に有する２つの力（Ｆ_ＡおよびＦ_Ｃ）の和として表現されてもよい新しい最適フィードフォワード力Ｆ_１によって置換されてもよいという出願人の認識である。βＶ_ＡＣＴとして表現され、以下の式２９で定義されうる力Ｆ_Ｃは、因果的である（したがって、波予測誤差に対する感度が低い）という所望の特性を有する。Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）−βＶ_Ｐとして表現され、以下の式２８で定義されうる非因果的力Ｆ_Ａは、（予測される波情報だけから計算される従来技術による最適ＰＴＯ力である）Ｆ_０に比べて波予測誤差に対する感度が低いという所望の特性を有する。理想化された（ゼロ波誤差の）条件下で、Ｆ_０とＦ_１は同値である。波予測誤差が存在するという期待される条件下で、Ｆ_１は、Ｆ_１がＦ_０に比べて波予測誤差に対する感度が低いという所望の特性を有する。結果として、Γ_βと呼ばれ、かつ、以下の定義

を有する新しい関数が、Γ_０関数のための置換として導入される。

実際には、量βは、因果的関係の一部であり、Γ_β（ω）について結果として得られる表現は、対象となる周波数範囲内でできる限り小さくさせられる。図９は、特定のＷＥＣシステムについての機械インピーダンスＺ_Ｅの例を示す。最適ＰＴＯインピーダンス

は、Ｚ_Ｅの複素共役である。この知識によって、βは、対象となる周波数範囲内でΓ_β（ω）をできる限り小さくするように選択されてもよい。βの適切な選択は、対象となる周波数範囲内でΓ_βがΓ_０より小さいことを保証することになると結論付けられてもよい。対象となる波の周波数に応じてβの異なる値が望ましい可能性があると結論付けられてもよい。Γ_β（ω）が周波数領域で定義されると、時間領域でΓ_β（ｔ）を表現するためにフーリエ変換を実行することが望ましい。このフーリエ変換演算は、（式２４と類似する）式２７で定義される。Ｆ_Ａの計算をもたらす畳込み積分は、式２８に明示的に示される。
Γ_β（ｔ）＝∫Γ_β（ω）ｅ^−ｉωｔｄω 式２７

Ｆ_Ｃは、
Ｆ_Ｃ＝βＶ_ＡＣＴ（ｔ_ｓ） 式２９
として計算されてもよい。Ｆ_ＡとＦ_Ｃの和は、本発明に従って、Ｆ_ＰＴＯまたはＦ_１をもたらす。
Ｆ_１＝Ｆ_Ａ＋Ｆ_Ｃ 式３０
本発明による、フィードフォワード制御則の規範的概要は、以下に与えられる。
１）波条件について１回実施するタスク
ａ．ＷＥＣの固有機械インピーダンスＺ_Ｅを計算する
ｂ．波励起力応答χ_Ｅを計算する
ｃ．ＰＴＯの最適機械インピーダンス

を計算する
ｄ．βが一定であるか、または、βが因果的作用素であるという制約を受けて、対象となる周波数範囲にわたって（たとえば、波の周波数範囲にわたって）Γ_β（ω）（式２６による）を最小にすることになるβの値を選択する
ｅ．式２６に従ってΓ_β（ω）を計算する
ｆ．式２７に従って時間領域でΓ_β（ｔ）を計算する
ｇ．Γ_β（ｔ）の最小サポート、最大サポートＴ_Γ−、Ｔ_Γ＋を確定する（図８、９、１０を参照）
２）全ての時間ステップｔ_ｓにおいて実施するタスク
ａ．将来にわたる波の高さＴ_Γ−秒の予測を確定する
［ここで、ｔ_ｓ−Ｔ_Γ＋からｔ_ｓ＋Ｔ_Γ−までの時間の関数として波の高さηについての表現が存在することに留意されたい］
ｂ．畳込み積分（式２８）から非因果的力の項を計算する
ｃ．瞬時の実際のＰＴＯ速度Ｖ_ＡＣＴを確定する
ｄ．因果的力の項Ｆ_Ｃ＝βＶ_ＡＣＴ（ｔ_ｓ）を計算する
ｅ．Ｆ_１＝Ｆ_Ａ＋Ｆ_Ｃを計算する
ｆ．Ｆ_１は、本発明による最適なＰＴＯ力である。ＰＴＯにＦ_１を加えるようにＰＴＯを制御する
図６は、速度検知手段を有するＷＥＣの略図である。波応答性物体１００および２００は、波に応答して移動し、動力取出システム（ＰＴＯ）３００の運動をもたらす。ＰＴＯは、水圧ピストン３０１、水圧チュービング３０２、および水圧モータ３０３からなる非整流型直線−回転変換メカニズムからなる。回転モータ３０３は、機械−電気変換器（発電機）３０５に関する軸３０４上で同じ場所に配置される。負荷回路３０６は、発電機３０５の両端に接続された抵抗器（負荷）３０８、および、負荷の両端に接続された電圧検知デバイス３０９を含む。１つの物体１００（たとえば、フロートおよびスパーの一方）と他の物体２００（たとえば、フロートおよびスパーの他方）との間の相対速度と、発電機３０５によって生成され、電圧センサ３０９によって検知される電圧との間に直線関係が存在する。測定電圧と、フロートとスパーとの間の相対速度との間の関係は、ＰＴＯのコンポーネントの特性の関数として確定されてもよい。ケーブル３１１は、電圧信号を制御コンピュータ４００に送信し、したがって、制御コンピュータがＰＴＯの実際の速度を確定することを可能にする。そのため、図６は、フロートとスパーとの間の相対速度を測定する手段を示す。

図７は、位置検知手段を有するＷＥＣの略図を示す。波応答性物体１００および２００は、波に応答して移動する。コンポーネント５５０および５５１は、位置検知メカニズムを備える。知られている位置検知メカニズムの場合、５５１は、物体１００と物体２００との間の張力下のワイヤを表す。コンポーネント５５０は、物体１００と物体２００との間の相対位置が変化するにつれて、ワイヤ５５１を取込みうる（または、繰り出しうる）張力をかけたスプールを含む。コンポーネント５５０は、繰り出されたワイヤ５５１の長さを検出する手段を含み、この情報をケーブル３１１を介して制御コンピュータ４００に送信し、したがって、制御コンピュータが、物体１００と物体２００との間の実際の距離を確定することを可能にする。制御コンピュータ４００は、この信号を識別して、ＰＴＯの実際の速度を確定してもよい。図６および７は、任意の適した実際の速度の検知手段が、本発明を実施するために使用されてもよいことを示すことを意味される。

図８は、力応答伝達関数Γ_０（ｔ）およびΓ_β（ｔ）の略図を示す。これらの関数Γ_０（ｔ）およびΓ_β（ｔ）は、ｔ＝０軸の近くで大きさが比較的大きくなる傾向があり、また、ｔが＋無限大または−無限大に近づくにつれて、大きさがゼロに向かう傾向がある。その結果、ｔの正値および負値が存在し、それらの値を超えると、関数Γ_０（ｔ）およびΓ_β（ｔ）の大きさが十分にゼロに近くなるため、実際には、ｔのこれらの値を超えて畳込み積分（式２８）を実行することは必要でない。これらの制限は、ｔの負値についてＴ_Γ−として、ｔの正値についてＴ_Γ＋として示される。

図９は、波力エネルギー変換器についての最適ＰＴＯインピーダンス（Ｚ_ＰＴＯ）の例を示す。実数部および虚数部は、上部プロットおよび底部プロットにそれぞれ示される。虚数部は、所与のＷＥＣ設計について０．１１Ｈｚの近傍でゼロを通過することが見てわかる。

図１０は、従来技術の関数Γ_０（ω）、および、ベータの実数でかつ一定値についての本発明による対応するΓ_β（ω）の周波数領域のグラフを示す。関数Γ_β（ω）は、

として式２６で定義される。関数Γ_β（ω）は、
（ａ）そのＷＥＣについての

のグラフが図９に示すようになるような特定の波力エネルギー変換器の特性、および、
（ｂ）約５００ｋＮｓ／ｍのβの値
に基づく。β＝５００ｋＮｓ／ｍの場合、

の値が、約０．２Ｈｚでゼロであることが、

のグラフ（図９）から見てわかる。同様に、関数Γ_β（ω）もまた、０．２Ｈｚで最小になる。そのため、本発明の実施に関連して選択されたβのこの値は、約０．２Ｈｚの周波数の波について、波誤差に対するＷＥＣシステムの感度を最小にする。他の支配的な波周波数においてＷＥＣシステムの感度を最小にするために、βの他の値が、本発明に従って選択されてもよい。

図１１、１２、１３、および１４は、本発明を示し、その説明を補助するために使用される波形図である。

図１１は、従来技術を使用した、最適制御の中間結果を示す。この図は、ゼロ波誤差の条件に当てはまり、ゼロ波誤差の条件は、期待されるまたは予測される波がＷＥＣに衝突する波と同一である条件として定義される。
ａ−図１１の波形Ａは、ＷＥＣの場所に衝突する波の高さ（Ｅ）を示す。
ｂ−図１１の波形Ｂは、波形Ａに応答するＷＥＣ（ＷＥＣの１つまたは複数の移動可能部分）の速度を示す。
ｃ−図１１の波形Ｃは、ＷＥＣのＰＴＯのＰＴＯ力Ｆ_ＰＴＯを示す。実際には、波の高さおよびＦ_ＰＴＯは、移動可能物体（ＷＥＣ）の速度を定義する。
ｄ−図１１の波形Ｄは、ＷＥＣによる生成電力（Ｐ）を示す。
Ｐは、速度×（Ｆ_ＰＴＯ）に等しく、速度は（Ｖ_ＡＣＴ）である。

図１２は、本発明を使用した、最適制御の中間結果を示す。この図もまた、ゼロ波誤差の条件に当てはまる。図１２の波形ＡおよびＢは、ＷＥＣの場所に衝突する波の高さ（Ｅ）およびＷＥＣの対応する速度をそれぞれ示す。図１２の波形Ｃは、ＷＥＣのＰＴＯのＰＴＯ力Ｆ_ＰＴＯを示し、Ｆ_ＰＴＯは、因果的力Ｆ_Ｃおよび非因果的力Ｆ_Ａによって表現されてもよい。
ここで、
Ｆ_ＰＴＯ＝（Ｖ_Ｐ）（Ｚ_ＰＴＯ−β）＋（Ｖ_Ｐ）（β） 式Ｂ
Ｆ_Ａ＝（Ｖ_Ｐ）（Ｚ_ＰＴＯ−β） 式Ｂ１、および、
Ｆ_Ｃ＝（Ｖ_Ｐ）（β） 式Ｂ２
（サブプロット３−波形Ｃの）因果的力および非因果的力が、加算されてサブプロット３における最適力になることに留意されるべきである。図１２の波形Ｄは、ＷＥＣによる生成電力（Ｐ）を示す。Ｐは、（Ｆ_Ｃ＋Ｆ_Ａ）にＶ_Ｐを乗じた値に等しく、図１１のシステムの電力に等しい。因果的電力寄与および非因果的電力寄与が、加算されてサブプロット４の波形Ｄにおける最適電力プロファイルになることに留意されるべきである。

図１３は、波誤差の存在下で従来技術を使用した制御を示す。そのため、この図は、ＷＥＣに衝突する実際の波が、波形Ａに示すように、予測される波と異なる条件を示す。この条件の場合、Ｆ_ＰＴＯおよび実際の速度が、図１２の条件の場合と異なるであろうことが立証される。そのため、予測される速度Ｖ_Ｐは、実際の速度Ｖ_ＡＣＴと異なることになる。しかし、従来技術によれば、Ｆ_ＰＴＯ＝（Ｖ_Ｐ）（Ｚ_ＰＴＯ）を維持し続けること、すなわち、因果的力と非因果的力を識別しないこと、また、Ｆ_ＰＴＯ＝（Ｖ_Ｐ）（Ｚ_ＰＴＯ）を維持すること、すなわち、因果的力と非因果的力を識別せず、Ｆ_Ｃ＝（Ｖ_Ｐ）（β）およびＦ_Ａ＝（Ｖ_Ｐ）（Ｚ_ＰＴＯ−β）を維持することは、波誤差が存在する（すなわち、実際の波が予測される波と異なる）とき、ＷＥＣによってずっと小さな電力の生成をもたらす。たとえば、図１１および１２の波形Ｄで示す５６３ｋＷに対して、図１３の波形Ｄで示す４１２ｋＷの電力が生成される。力の因果的部分は、予測速度に比例することが留意されるべきである。

図１４は、波誤差の存在下で本発明を使用した制御を示す。そのため、この図は、ＷＥＣに衝突する実際の波が、波形Ａに示すように、予測される波と異なる条件を示す。しかし、本発明によれば、図１４に示す条件の場合、Ｆ_ＰＴＯは、因果的力（Ｆ_Ｃ）および非因果的力（Ｆ_Ａ）を有するように処理され、ここで、Ｆ_Ｃは、Ｖ_ＡＣＴにβを乗じた値に等しいようにセットされ、Ｆ_Ａ＝（Ｖ_Ｐ）（Ｚ_ＰＴＯ−β）である。この処理配置構成によるＷＥＣによって生成される電力は、従来技術の未補正配置構成の場合に比べて著しく大きい。これは、図１３の波形Ｄに示す平均電力に対して図１４の波形Ｄに示す生成平均電力（５１１ｋＷ）を比較することによって立証されてもよい。力の因果的部分は、予測される速度ではなく、実際の／観測されたＷＥＣ速度に基づくことが留意されるべきである。

図１５は、特定の波条件下の特定のＷＥＣ構成についての、本発明の方法と「知られている」方法を比較する、変換電力についての結果の要約を示す。グラフのｘ軸は、波誤差の程度を表し、ｙ軸は、７秒の波の存在下で所与の波力エネルギー変換システムによって生成される電力を表す。ｙ軸は、決して予測波情報に依存しない制御則である「比例制御（proportional control）」によって生成される電力に対して正規化される。そのため、「１」未満の値は、制御則について失敗を示す。制御則は、「比例制御」の制御より大きな電力を生成しない場合、利益を全く提供しない。グラフの３つの曲線は、３つの異なる制御スキームのそれぞれにおいて生成される電力を示す。波誤差が全く存在しない場合（たとえば、グラフの左側で、ｘ軸がゼロである場合）、３つの制御スキームが全て一致していることに留意されたい。「Λ」曲線で示す制御スキームは、「知られている」制御スキームを表す。Γ_１０００およびΓ_２００曲線は、考えられる制御スキームのうちの２つについての電力の結果を示す。Γ_１０００制御則が、ＷＥＣ位置の１０％の誤差が存在するまで、「比例制御」に対して利益を提供していることに留意されたい。Λ制御則は、５％未満の波誤差についてだけ、「比例制御」に対して利益を提供する。したがって、「Λ」制御則についての結果と比べて、Γ_１０００の場合、１００％を超える改善が存在する。

Claims (16)

1. 波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）であって、
   波に応答して互いに対して移動できる第１および第２の物体と、
   前記第１および第２の物体の相対運動を有効エネルギーに変換するために、前記第１の物体と前記第２の物体との間に接続される動力取出（ＰＴＯ）デバイスと、
   前記ＰＴＯと、前記第１および第２の物体との間の力を選択的に制御する手段を含むプログラマブル制御コンピュータと、
   前記ＷＥＣ上に到来する波を検知し、前記ＷＥＣに対する前記到来する波の作用を予測する信号を生成するために、前記到来する波に相当する信号を前記プログラマブル制御コンピュータに供給するための、前記ＷＥＣの外部のセンサと、
   前記第１および第２の物体の実際の移動を示す信号を生成し、前記実際の移動を示す信号を、処理のために前記プログラマブル制御コンピュータに供給するための、前記第１および第２の物体の移動に応答する手段とを備え、
   前記プログラマブル制御コンピュータは、ＷＥＣによって前記波から抽出される平均エネルギーを増加させるように、前記ＰＴＯと、前記第１および第２の物体との間の前記力を調整するための前記ＰＴＯに印加される制御信号を生成するために、前記第１および第２の物体の前記実際の移動に相当する信号および前記予測信号に応答する手段を含む波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。
2. 前記第１の物体は、前記波と同相で移動するフロートであり、前記第２の物体は、前記波と異なる位相で移動し、前記第１および第２の物体の実際の移動を示す信号を生成するための、前記第１および第２の物体の移動に応答する前記手段は、前記第１および第２の物体の実際の相対速度を検知し、対応する信号を生成する手段を含む請求項１に記載の波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。
3. 前記第２の物体は、本質的に固定して保持される請求項２に記載の波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。
4. 前記センサは、前記ＷＥＣに瞬間的に衝撃を与えることを意図された到来する波を検知するように位置決めされる請求項１に記載の波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。
5. 前記センサは、前記ＷＥＣの上流に配置される請求項４に記載の波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。
6. 前記第１および第２の物体の前記実際の相対速度を検知し、対応する信号を生成する前記手段は、前記第１および第２の物体の位置の変化を、時間の関数として検知する手段、および、前記第１および第２の物体の相対速度を計算する手段を含む請求項２に記載の波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。
7. 前記実際の相対速度を検知する前記手段は、前記第１および第２の物体の実際の相対速度を示す信号を生成することができる、前記第１および第２の物体に結合されたデバイスを含む請求項６に記載の波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。
8. 前記実際の相対速度を検知する前記手段は、前記第１および第２の物体に取り付けられた(attach)機械的手段、電気機械的手段、光学手段、および電子手段のうちの少なくとも１つを含む請求項７に記載の波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。
9. 前記ＰＴＯに印加される制御信号は、
   Ｆ_ＰＴＯ＝［Ｆ_Ａ＋Ｆ_Ｃ］＝［（Ｚ_ＰＴＯ−β）（Ｖ_Ｐ）＋（β）（Ｖ_ＡＣＴ）］＝［Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）−β（Ｖ_Ｐ−Ｖ_ＡＣＴ）］
   として定義され、
   式中、
   Ｆ_ＰＴＯは、前記ＰＴＯと、前記第１および第２の物体との間に加えられる力を表し、
   Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）は、前記予想される波情報に基づく、前記ＰＴＯと、前記第１および第２の物体との間の力を表し、
   Ｚ_ＰＴＯは、選択された条件についての前記ＰＴＯのインピーダンスであり、
   Ｖ_Ｐは、前記ＷＥＣの予想速度であり、
   Ｖ_ＡＣＴは、ＷＥＣ／ＰＴＯの実際の速度であり、
   βは、支配的な波条件について項（Ｚ_ＰＴＯ−β）を最小にするように選択される請求項１に記載の波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）。
10. 波に応答して互いに対して移動できる第１および第２の物体ならびに前記物体間に結合された動力取出（ＰＴＯ）デバイスを有する波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）の動作を制御する方法であって、
    （ａ）到来する波を検知し、明細書で予測情報として定義される、前記到来する波に関する情報を処理するステップと、
    （ｂ）前記予測情報に対する前記ＷＥＣの応答に関する情報を予めプログラムされたコンピューティング装置に前記予測情報を供給するステップであって、それにより、信号Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）＝（Ｖ_Ｐ）（Ｚ_ＰＴＯ）を含む、前記予測情報に対する前記ＷＥＣの前記応答を示す信号を生成する、供給するステップと、
    （ｃ）選択された波条件について、前記項（Ｚ_ＰＴＯ−β）を最小にするβの特定の値を選択するステップと、
    （ｄ）（Ｚ_ＰＴＯ−β）（Ｖ_Ｐ）に等しい力Ｆ_Ａを生成するステップと、
    （ｅ）前記ＷＥＣの前記第１の物体と前記第２の物体との間の前記実際の相対速度Ｖ_ＡＣＴを検知し、前記情報を前記コンピューティング装置に供給するステップと、
    （ｆ）（β）（Ｖ_ＡＣＴ）に等しい力Ｆ_Ｃを生成するステップと、
    （ｇ）前記ＰＴＯと、前記ＷＥＣの前記第１および第２の物体との間に加えられた力である信号Ｆ_ＰＴＯを生成するステップと含み、
    Ｆ_ＰＴＯ＝［Ｆ_Ａ＋Ｆ_Ｃ］＝［（Ｖ_Ｐ）（Ｚ_ＰＴＯ−β）＋（Ｖ_ＡＣＴ）（β）］＝［Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）−β（Ｖ_Ｐ−Ｖ_ＡＣＴ）］であり、Ｆ_ＰＴＯ（Ｐ）は、前記予測波情報に基づいて、前記ＰＴＯおよび前記ＷＥＣに加えられる力であり、
    Ｖ_Ｐは、前記予測波に応答する前記ＷＥＣの予測速度であり、
    Ｚ_ＰＴＯは、選択された条件についての前記ＰＴＯのインピーダンスである方法。
11. 前記第１の物体は、前記波と同相で移動するフロートであり、前記第２の物体は、前記波と異なる位相で移動し、前記第１の物体と前記第２の物体との間に接続される動力取出（ＰＴＯ）デバイスは、前記第１および第２の物体の相対運動を有効エネルギーに変換する請求項１０に記載の方法。
12. 前記第２の物体は、本質的に固定して保持される請求項１１に記載の方法。
13. 前記センサは、前記ＷＥＣの上流に配置される請求項１０に記載の方法。
14. 前記ＷＥＣの前記第１の物体と第２の物体との間の前記実際の相対速度Ｖ_ＡＣＴは、前記２つの物体間に接続されたデバイスによって検知される請求項１０に記載の方法。
15. 波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）システムであって、
    波に応答して互いに対して移動できる第１および第２の物体と、
    前記第１および第２の物体の相対運動を有効エネルギーに変換するために、前記第１の物体と前記第２の物体との間に接続される動力取出（ＰＴＯ）デバイスと、
    前記第１および第２の物体の前記相対位置および前記相対運動のうちの少なくとも１つを制御するための力を、前記ＰＴＯが前記ＷＥＣに加えることを選択的に可能にするプログラマブル制御コンピュータと、
    前記ＷＥＣ上に到来する波を検知するための、前記ＷＥＣの外部のセンサ、および、前記ＷＥＣに対する前記到来する波の作用を予測する信号を生成するために、前記到来する波に関する情報を前記プログラマブル制御コンピュータに供給するための、前記検知された波に応答する手段と、
    前記第１および第２の物体の実際の相対速度を示す信号を生成し、前記信号を、処理のために前記プログラマブル制御コンピュータに供給するための、前記第１および第２の物体の移動に応答する手段とを備え、
    前記制御コンピュータは、前記ＷＥＣによって前記波から抽出される平均エネルギーを増加させる傾向がある前記ＰＴＯに対する制御信号を生成するために、前記第１および第２の物体の前記実際の相対速度に相当する信号および前記予測信号に応答するようにプログラムされる波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）システム。
16. 波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）システムであって、
    波に応答して互いに対して移動できる第１および第２の物体と、
    前記第１および第２の物体の相対運動を有効エネルギーに変換するために、前記第１の物体と前記第２の物体との間に接続され、同様に、前記ＷＥＣに対して制御用力を加えることが可能な動力取出（ＰＴＯ）デバイスと、
    前記ＰＴＯに結合され、前記第１および第２の物体の前記相対位置および前記相対運動のうちの少なくとも１つを制御するための力を、前記ＷＥＣが前記ＷＥＣに加えることを選択的に可能にする手段を含むプログラマブル制御コンピュータと、
    到来する波および前記ＷＥＣに対する前記到来する波の予測衝撃に応答し、それにより、前記予測衝撃に相当する信号を前記プログラマブル制御コンピュータに供給する、第１の手段、および、前記ＷＥＣの前記実際の応答を反映する条件に応答し、それにより、前記予測信号値と、前記ＷＥＣが受ける前記実際の値との差を補償するための実際の条件に相当する信号を前記プログラマブル制御コンピュータに供給し、また、前記ＰＴＯに印加される対応する制御信号を生成する、第２の手段とを備える波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）システム。

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