JP2011522169A - 波エネルギー変換設備 - Google Patents

Abstract

【課題】 波のエネルギーを電気に変換するために海、大洋等の水域に配置される浮体によって駆動される構造物を提供すること。
【解決手段】 構造物は、水中で該構造物を浮かせ、安定させる浮体と、エネルギー変換システム及びエネルギー変換機構を安全に収納し、保持するように設けられたプラットホームとを含む。前記エネルギー変換機構は、波とともに動く複数の浮台を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、波エネルギー変換設備に関し、特に海、大洋等の水域に配置され、波のエネルギー及び運動を電気に変換する構造物に関する。

波のエネルギーは、発電に利用することができる最大の再生可能なエネルギー源の１つとして知られている。波の前進する動きは、連続した電力供給に変換することができる。様々な形に変化する波から発電するには様々な方策がある。

一般に、海、大洋等に配置された波エネルギー変換設備は、嵐や雨のような激しい波と強い力にさらされている。商業的及び物理的に実現可能な波エネルギー変換設備にとって、該波エネルギー変換設備は、前記の力に耐えることができると共にエネルギー変換機構が前記の力の影響を受けないようにしなければならない。

本発明の目的は、波長及び波高の両方を最も効率良く利用することにより上記の要件を満たす構造物を提供することにある。

本発明によれば、波のエネルギー及び／又は運動を電力に変換するために海、大洋等の水域に配置される構造物は、該構造物を浮かせ、支持するために水中で静止する浮体を含む。この浮体は、バラスト水のための底部殻及び複数の側部殻からなる殻体を含む。この殻体は、前記波が吸い込み口を経て前記構造物の一端から他端へ通り抜けることができるように、開放端を有する開放端部吸い込み口を形成するように一体化されている。複数の浮台は、該浮台が前記吸い込み口内部で通過する波によって押されることができるように前記吸い込み口内部に設けられている。前記吸い込み口の内側に前記浮台を有することにより、該浮台は、激しい波に押される側部の衝撃による影響から守られる。

前記底部殻は、前記構造物が波の運動によって運び去られること、移動させられること及び上下にうねることを防ぐべく、前記構造物を安定させるために巨大な緩衝器としての役割を果たすように広い平面を有する。

プラットホームが、複数のエネルギー変換システムを安全に収納し、保持するために前記構造物の上部に設けられる。波エネルギー変換機構は、波のエネルギー及び運動を電気に変換するために前記エネルギー変換システムと共働する。前記波エネルギー変換機構は、波の並進運動を往復運動に変換し、転送する機構として言及されるが、波の並進運動を往復運動に変換し、転送する機構として限定はされない。前記エネルギー変換システムは、前記往復運動を変換し、発電するシステムとして言及されるが、前記往復運動を変換し、発電するシステムとして限定はされない。

前記浮台は、波に押されたとき、連続的なロッキング運動ができるように前記浮台の前部及び後部の間に位置する固定点の周りを個別に旋回する。接近する波の頂点が前記浮台の前部を持ち上げる一方で、同時に前記浮台の後部は、先行する波の谷に向かって沈み込む。これは、前記浮台の長さが前記波の頂点から頂点までの距離の半分であることが理由である。前記波の頂点が前記後部を持ち上げるように該後部に向かって進むとき、前記前部は前記接近する波の谷に沈む。次の接近する頂点が、前記前部を再び持ち上げる。この循環は、約１５秒程度かかる。

本発明によれば、複数の前記浮台がピボットの周りで揺れ動くとき、前記浮台の並進運動は、液圧ポンプのピストンを上下動するように押圧するクランク機構により、往復運動又は回転運動に変換される。少なくとも２つのクランク機構は、該クランク機構間で往復運動が交互に生じるようにピボット間に配置されている。

液圧システムは、該液圧システムがクリーンで効率的なエネルギー変換システムであるので海の波のエネルギーを電気に変換するシステムとして選択される。前記液圧システムに発生する圧力変化は、蓄圧器を使用することにより一様にされ、結果として発電装置において制御された速度及びトルクをもたらす。

海、大洋等の波のポテンシャルエネルギーは、次の公式によって計算される。

［数１］
パワー／メートル幅波面＝Ｋｘｈ２ｘｔ

ここで、Ｋは０．５の定数、ｈは（波の頂点から波の谷まで測定した）メートル表記での波高、及びｔは秒単位での波の頂上から頂上への時間である。

可能な限り多くの電気を発生させるために、複数の浮台が、吸い込み口の内部に設けられる。前記浮台は、該浮台を押す波の力をより多く又は吸収するために底部に広い平坦面を備えるように構成される。

したがって、各浮台の前面は、エネルギーを含んだ波の到来方向に対して直角でなければならない。前記浮台の長さは、波の頂点間の距離の半分を超えてはならない。各浮台の前部及び後部は、前記浮台が該浮台の平衡位置に容易に戻ることができるように、長さ及び重さが等しい。

いくつかの波エネルギー変換機構が取り付けられた、波を電気に変換するために海のような水域に配置された構造物の正面図。 通過する波に押される浮台を備えた波エネルギー変換機構の側面図。 ロック機構により固定されている波エネルギー変換機構の側面図。 波エネルギー変換機構の配置を示す図３の線Ａ−Ａ断面図。 浮台を保持する保持部材の配置を示す図３の線Ｂ−Ｂ断面図。 波エネルギー変換機構に接続されたエネルギー変換システムを示す構造物及び該構造物に設けられた施設の平面図。 底部から見た浮体の配置及び吸い込み口を通過する水の流れのプロファイルを示す図１の線Ｃ−Ｃ断面図。 漏斗状延長部を備える構造物を示す図１の線Ｃ−Ｃ断面図。

本発明は、波エネルギー変換設備に関し、特に海、大洋等の水域に配置される構造物に関する。この構造物は、波のエネルギー及び運動を電気に変換するために複数の波エネルギー変換システム及び該波エネルギー変換システムに取り付けられる機構を有する。

ここに記載された好ましい実施例の様々な修正、原理及び特徴は、当業者に明らかである。本発明は、実施例に限定するものではなく、ここに記載された原理及び特徴と一致する最も広い範囲で定められる。

図１を参照するに、上部甲板１０１及び下部甲板１０３を有するプラットホームに取り付けられた多数の波エネルギー変換機構１０５を備える、波を電気に変換するために水域に配置される構造物の正面図が示されている。この構造物は、該構造物を水に浮かせ、支持するために水中で静止する浮体を含む。この浮体は、バラスト水のための底部殻１０９と、複数の側部殻１０７とからなる殻体を含む。

前記底部殻及び前記側部殻は、開口を有する吸い込み口１１３を形成する。前記開口は、波が通過することができるように吸い込み口１１３の各端部に設けられている。

吸い込み口１１３は、Ｕ字状の断面を有し、前記構造物の上部のプラットホーム１０１から下方に伸びる垂直な側部殻１０７は、前記構造物の底部の水平な底部殻１０９と一体的に結合している。

複数の浮台が、吸い込み口１１３を通過する波によって押されるように該吸い込み口の内側に設けられている。複数の固定保持部材が、前記浮台を吸い込み口１１３内部で定位置に保持するために設けられている。波及び水は、吸い込み口１１３の一方の開口から流入し、その他方の開口から流出する。

底部殻１０９は、前記構造物が波の運動によって運び去られること、移動させられること及び上下にうねることを防ぐべく、前記構造物を基本的に安定させるために巨大な緩衝器として作用するように広い平面を有する。バラスト水施設により、前記浮台は、常に水面１１７で維持される。本発明によれば、前記構造物は、海、大洋等の底に強固に固定する必要はないが、浮いて、潮流にのって上下しなければならない。

前記プラットホームは、複数のエネルギー変換システムを安全に収納し、保持するように設けられた上部甲板１０１及び下部甲板１０３を含む複数の甲板を有する。各システムは、発電のために波エネルギー変換機構に直接接続されている。

図２を参照するに、複数の浮台２０１は、波エネルギー変換機構１０５（図１）に取り付けられている。浮台２０１は、一連の接近する波の頂点により押されるとき、連続したロッキング運動ができるように前記浮台の前部と後部との間に位置する固定点で個別に旋回する。最初に、前記前部が持ち上げられ（２１１）、同時に前記後部が下がる（２０９）。次に、波の頂点が前記後部の方へ動くとき、該後部は持ち上げられ、一方で前記前部は下がる。この前部及び後部のロッキング運動は、１つのサイクルの平均として各１５秒程度で延々と繰り返される。少なくとも１つの保持部材２０７が、浮台２０１が常に水面にあるように前記浮台を定位置に保持する。

浮台２０１がピボットの周りで揺れ動くとき、複数の浮台２０１の並進運動は、液圧ポンプのピストン２０３ｂを上下に押圧するクランク機構２０４により往復運動又は回転運動に変換される。少なくとも２つのクランク機構２０４が、前記往復運動が前記クランク機構間で交互に生じるように、ピボット間に前後に設けられる。このように、浮台２０１の前記ロッキング運動は、効果的に利用される。

液圧システムは、該液圧システムがクリーンで効率的なエネルギー変換システムであるので、昇圧が蓄圧器の使用により一様にされ、結果として発電のために制御された速度及びトルクがもたらされるような発電システムとして選択される。

浮台２０１の長さは、波の頂点間の距離の半分を超えてはならない。各浮台の前部及び後部の長さ及び重さは、前記浮台が該浮台の平衡位置に容易に戻ることができるように等しい。

図２を参照するに、浮台２０１の長さは、２つの連続する頂点２１１の間の距離の半分である。波が吸い込み口１１３を前部から後部へ通り抜けるとき、浮台２０１の前部は、波の頂点により持ち上げられ、浮台２０１の後部は、先行する波の谷に沈む。したがって、各浮台の前部又は後部のロッキング運動がピボットの周りで連続して交互に生ずる。前記ピボットに取り付けられた浮台の長さの半分が持ち上げられるレバー動作の機械効率を計算することにより、途方もない量の液力が、この押圧運動に抵抗する液圧ポンプに転送される。波力のほとんどは、前記液圧ポンプの抵抗に打ち勝つために使用される。

浮台２０１は、できるだけ多くの波のエネルギーを獲得するために広い平坦な底面を有する。さらに、各浮台の前面は、エネルギーを含んだ波の到来方向に対して直角でなければならない。浮台２０１の前部は、傾斜面３０１を有する。さらに、障壁２０５が、激しい波から前記保持部材及び前記エネルギー変換機構を守るために設けられている。

点検目的のために、浮台２０１は、固定できるように構成されている。浮台２０１は、図３に示すように、固定アーム３０３を受けるように固定柱３０４を設けることにより固定される。点検の間、固定アーム３０３は、浮台２０１と連結するために前記プラットホームから展開される。固定アーム３０３は、より長い保持部材により距離が離れた浮台２０１と連結するために固定アーム３０３から延長可能な柱をさらに備える。上部甲板１０１と距離をおいた下部甲板１０３は、人が該下部甲板の上を歩くことができ、波エネルギー変換機構１０５及び前記エネルギー変換システムに近づくことができる。

図４ａは、浮台２０１上の波エネルギー変換機構１０５の配置を示す浮台の正面図である。一連の往復運動を発電に変えるために、複数の波エネルギー変換機構１０５が、浮台２０１上に設けられている。図４ｂに示すように、一対の保持部材２０７が浮台２０１を保持するように設けられている。

図５に示すように、上部甲板１０１は、開放領域である。この開放領域は、ヘリポート５０７と、貯蔵所５１１と、クレーンが置かれる領域５１３と、変電設備５１５と、要員詰所５０９とを備える。前記エネルギー変換システムは、蓄圧器５０１と、高圧液圧パイプ５００と、発電機５０２と、液圧モータ５０３と、低圧液圧パイプ５０６と、液体冷却器５０４と、液体タンク５０５とを含む。

前記エネルギー変換システムは、上部甲板１０１と下部甲板１０３との間に設けられた空間内部に取り付けられている。アンビリカルケーブルが、変電設備５１５から陸上局へ発電した電気を送電するために設けられている。

浮台２０１は、吸い込み口１１３を通過する波を利用するために該吸い込み口の内部に設けられている。より多くの浮台２０１は、より多くの往復運動を発生させ、変換させることができ、より多くの電気を発電することができることを意味する。浮台２０１は、第１の開口６１３ａに流入し、第２の開口６１３ｂから流出する波及び水流プロファイル６０１を効果的に利用するように配置されている。図６に示すように、複数の浮台２０１は、対で配置され、複数の対は互いに平行で直列に配置されている。次の列は、第１の列より多く又はより少ない対を有する。図６に示すように、前記第１の列は、第２の列より多くの浮台２０１の対を有し、前記第２の列は、第３の列より少ない浮台２０１の対を有する。

漏斗状延長部が、図７に示すように、より多くの強力な波が吸い込み口１１３に流入できるように該吸い込み口前面のより多くの波を集めるために前面の開口６１３ａに設けられている。

１０１ 上部甲板
１０３ 下部甲板
１０５ 波エネルギー変換機構
１０７ 側部殻
１０９ 底部殻
１１３ 吸い込み口
２０１ 浮台
２０３ｂ 液圧ポンプのピストン
２０４ クランク機構
２０５ 障壁
２０７ 保持部材
２０９ 波
２１１ 波の頂点
３０１ 傾斜面
３０３ 固定アーム
３０４ 固定柱
５００ 高圧液圧パイプ
５０１ 蓄圧器
５０２ 発電機
５０３ 液圧モータ
５０４ 液体冷却器
５０５ 液体タンク
５０６ 低圧液圧パイプ
５０７ ヘリポート
５０９ 要員詰所
５１１ 貯蔵庫
５１５ 変電設備
７０１ 漏斗状延長部

Claims (27)

1. 波のエネルギーを電気に変換する、海、大洋等の水域に配置される構造物であって、
   前記構造物を支持し、吸い込み口を形成する浮体と、波の運動を連続した往復運動に変換する複数の波エネルギー変換機構と、発電するために該波エネルギー変換機構と共働する複数のエネルギー変換システムと、前記波エネルギー変換機構及び前記エネルギー変換システムを定位置で収納するプラットホームとを含む、構造物。
2. 前記浮体は、水バラストのための底部殻（１０９）及び側部殻（１０７）からなる殻体を含み、
   前記側部殻は、前記プラットホーム（１０１、１０３）から下方に伸び、断面Ｕ字状の吸い込み口を形成するために前記底部殻と一体に結合されている、請求項１に記載の構造物。
3. 前記底部殻は、前記構造物に対する波の運動を和らげるために広い平坦面を有する、請求項２に記載の構造物。
4. 前記吸い込み口は、水が該吸い込み口に流入し、通過できるように一端部と他端部とに開口を有する、請求項２に記載の構造物。
5. 前記波エネルギー変換機構は、波とともに動くことができるクランク機構及び浮台を含む、請求項１に記載の構造物。
6. 浮台が、前記波に押されたとき、ピボットの周りで上下に揺れ動く、請求項４に記載の構造物。
7. 前記プラットホームは、上部甲板と、下部甲板とを有する複数の甲板を含む、請求項１に記載の構造物。
8. 前記殻体内の前記水バラストは、浮台が常に水面に接触するように前記構造物を水平に保つ、請求項２に記載の構造物。
9. 前記エネルギー変換システムは、高圧液圧パイプ（５００）と、低圧液圧パイプ（５０６）と、発電機（５０２）と、液圧モータ（５０３）と、蓄圧器（５０１）と、液体タンク（５０５）と、液体冷却器（５０４）とを含む、請求項１に記載の構造物。
10. 前記エネルギー変換システムは、上部甲板と下部甲板との間に設けられた空間内部に取り付けられている、請求項５に記載の構造物。
11. 前記プラットホームは、ヘリポート（５０７）、クレーン、貯蔵庫（５１１）、要員詰所（５０９）及び電気を陸上に送電する変電設備（５１５）のための領域が設けられた上部甲板（１０１）と、要員が前記波エネルギー変換機構（１０５）に歩いて近づくことができる下部甲板（１０３）とを有する、請求項１に記載の構造物。
12. プラントで発電された電気は、変電設備（５１５）から陸上局へアンビリカルケーブルによって送電される、請求項１に記載の構造物。
13. 各浮台（２０１）が、前記プラットホームから伸びる少なくとも１つの保持部材（２０７）により保持され、前記浮台は、波（２０９、２１１）とともに自由に動くことができるように該浮台の中間点で揺動し、少なくとも１つのクランク機構（２０４）と共働する、請求項１に記載の構造物。
14. クランク機構が、液圧ポンプのピストンを上下に押圧する、請求項９に記載の構造物。
15. 前記往復運動は、浮台の前部と後部との間で交互に生ずる、請求項１に記載の構造物。
16. 浮台（２０１）が、平らな底面と、波の頂点（２１１）に向かい合う、該浮台の前部にある傾斜面（３０１）とを有する、請求項１に記載の構造物。
17. 浮台（２０１）が、保持部材（２０７）及び前記波エネルギー変換機構を激しい波の衝撃によって影響を受けることから守る障壁（２０５）を有する、請求項１に記載の構造物。
18. 前記構造物は、波が前記吸い込み口に流入する前に広い部分から狭い部分へ進むことができる漏斗状延長部を備える、請求項１に記載の構造物。
19. 前記プラットホームは、点検中に浮台を静止させるために該浮台の前部及び後部の上部を固定する固定アームを備える、請求項１に記載の構造物。
20. 固定アームが、浮台と連結するように該固定アームから延長可能な柱を備える、請求項１に記載の構造物。
21. 波のエネルギーを電気に変換する方法であって、
    海、大洋等の水域に構造物を浮かせること、
    水及び波が通過できるように、前記構造物に開口を備えた吸い込み口（１１３）を形成すること、
    前記吸い込み口に波エネルギー変換機構を配置することにより波の運動を往復運動に変換し、転送すること、
    前記吸い込み口を通過する波に前記波エネルギー変換機構が押されるように前記構造物を水平に保つことを含む、方法。
22. 前記構造物を浮かせることは、底部殻と、側部殻とからなる殻体を使用することである、請求項２１に記載の方法。
23. 前記吸い込み口の形成は、下方に伸びる少なくとも２つの垂直な側部殻を水平な底部殻に断面Ｕ字状となるように一体に結合することによる、請求項２１に記載の方法。
24. 波の運動を往復運動に変換し、転送することは、浮台が波とともに自由に動くことができ、該浮台にクランク機構を接合することである、請求項２１に記載の方法。
25. 前記構造物を水平に保つことは、殻体にバラスト水を出し入れすることで安定させることである、請求項２４に記載の方法。
26. 前記浮台の動きは、前記吸い込み口を通過する波に前記浮台が押されたとき、ピボットの周りで上下に揺動することである、請求項２４に記載の方法。
27. 前記往復運動は、発電のために液圧ポンプのピストンを上下に押圧することである、請求項２４に記載の方法。

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