JP2011528770A - 波動エネルギーを利用するための装置および方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、増加した効率で波動エネルギーを利用するための装置に関する。それに加えて、本発明による装置は−ダリウス・ロータが剛率σＤを有する少なくとも２つのダリウス・ロータブレードを有するダリウス・ロータと；ウェルズ・ロータが剛率σＷを有する少なくとも２つのウェルズ・ロータブレードを有するウェルズ・ロータと；を含み、−ダリウス・ロータおよびウェルズ・ロータは、共通の回転軸Ａの周りで回転可能であり、−σＷはσＤより大きいまたは等しい。本発明は、波動エネルギーを利用する方法にも関連する。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも２つのダリウス・ロータブレードを有するダリウス・ロータと、少なくとも２つのウェルズ・ロータブレードを有するウェルズ・ロータとを含み、ダリウス・ロータおよびウェルズ・ロータが共通の回転軸Ａの周りで回転可能である、波動エネルギーを利用するための装置に関するものである。
そのような方法は、ＷＯ０２／４４５５８号から公知である。これによって、波動エネルギーを効果的に利用することができる。
ＷＯ０２／４４５５８号
波動エネルギー、すなわち、高いエネルギー密度の利点はまた、波動エネルギーを利用するために使われる装置の問題を示す。それらは荒れた気象状況に耐えることができなければならないので、比較的高価である。したがって、波動エネルギーを利用するための装置が、できるだけ多くのエネルギーを利用できる必要がある。
本発明は、エネルギー効率が相当増加し、したがってエネルギーのコストを減らす改良された装置の提供を目的とする。
このために本発明は、少なくとも２つのダリウス・ロータブレードを有して、ダリウス・ロータが剛率σＤを有するダリウス・ロータと、少なくとも２つのウェルズ・ロータブレードを有して、ウェルズ・ロータが剛率σＷを有するウェルズ・ロータとを含み、ダリウス・ロータおよびウェルズ・ロータが共通の回転軸Ａの周りで回転可能であり、σＷがσＤより大きいまたは等しい装置を提供する。
波動試験タンクのそのような装置の実験は意外にも、そのような装置がｉ）ダリウス・ロータのみを使用して利用されるエネルギー、および、ｉｉ）ウェルズ・ロータのみを使用して利用されるエネルギーの合計より大きい効率で波動エネルギーを機械エネルギーに（したがってまた、油圧エネルギーに、電気に、および任意に続いて水素に）変換することができることを示した。ウェルズ・ブレードの数を著しく増やすことによって、σＷが規定された状態を満たすようにさせることは可能であるが、実際にはウェルズ・ロータブレードを広げるのが好ましく、この数は、好ましくはダリウス・ブレードまたは例えば３倍または好ましくは２倍のようなその倍数の数に等しい。これらの後者ケースは実際に、ダリウス・ブレードが、駆動軸（回転軸と一致する）に３または２のウェルズ・ブレードによって連結される場合有利である。ｉ）ウェルズ・ロータのブレードの有効な羽根長さの全長、および、ｉｉ）ダリウス・ロータのブレードの有効な羽根長さの全長の比率は、例えば０．１と２．５との間、好ましくは０．５と１．５との間のように、通常０．０１と３．０との間に位置する。
用途は、以下の定義を使用する：ロータは２つ以上のロータブレードのアセンブリであり、後者は単にブレードと呼ばれる。
ウェルズ・ロータは少なくとも２つのブレードを含み、そこにおいて、ブレードは、ブレードの前縁および後縁によって定められる平面の両側で凸状である。その平面と関連して、ウェルズ・ブレードは好ましくは鏡面対称である。ウェルズ・ブレードは、ウェルズ・ロータの回転軸に関して放射状の方向において主に延長する。ブレードの平面は、ウェルズ・ロータの回転軸に、垂直から多くても１５°、好ましくは５°、より好ましくは０°の角度であることができる。
ウェルズ・ロータの剛率は、公式Ｎ．Ａｗｂ／Ａｗを使用して計算することができる。そこにおいて、Ｎ＝ブレードの数、Ａｗｂ＝ウェルズ・ロータブレードの表面領域（矩形のブレードにおいて、これは弦幅ｃ×有効なブレード長さＬである）、Ａｗ＝ウェルズ・ロータの有効な取り除かれた表面領域である。
ブレードが互いに異なる場合、上記の公式は各々のブレードに適用されなければならず、すべてのブレードの別々に得られた結果は合計されなければならない。
ダリウス・ロータは少なくとも２つのブレードを含み、そこで回転軸の平面および前記平面の回転軸に垂直のブレードは、多くても６０°、好ましくは４５°の回転軸の角度である。有利な角度は、たとえば０°である（そこで、ダリウス・ブレードは回転軸と交差しない）。好ましくは、ダリウス・ブレードの下部の末端は、上の末端よりも装置の回転軸により近い。その場合、２５°から３５°の角度は最も好適である。
ダリウス・ロータの剛率は、公式Ｎ．Ａｄｂ／Ａｄを使用して計算することができる。そこにおいて、Ｎ＝ブレードの数、Ａｄｂ＝ダリウス・ロータブレードの表面（矩形のブレードにおいて、これは弦幅ｃ×有効なブレード長さＬである）、Ａｄ＝ダリウス・ロータの有効な取り除かれた表面領域である。
ブレードが互いに異なる場合、上記の公式は各々のブレードに適用されなければならず、すべてのブレードの別々に得られた結果は合計されなければならない。
剛率は、媒体（すなわち空気）の流れの方向が風力タービンの回転軸に平行に（および、ブレードが回転する平面に対して垂直に）動く風力タービンにおいて最も容易に理解することができる。
上記の剛率公式は基本的に等しいが、ウェルズ・ロータにおいては、表面領域Ａｗは、（垂直回転軸の場合に）として媒体（すなわち水）の流れの向きが回転軸に対して平行であるかのように決定される。ダリウス・ロータにおいては、表面領域Ａｄは、（垂直回転軸の場合に）媒体の流れの向きが回転軸に対して垂直であるかのように決定される。剛率という語をよく知らない素人のために、多少の例を図面の記載において示した。
ブレードの幅（弦とも呼ばれる）は、輪郭の前方側面と裏面（英語でｔｈｅ ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅおよびｔｈｅ ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ：前縁および後縁）との間の最も短い交差距離である。
ウェルズおよびダリウス羽根長さと関連した「有効な」という語は、それぞれのウェルズまたはダリウス効果があるところが示す範囲のみで問題のブレード表面が考慮されることを意味する。言い換えると、問題のブレード表面の部分のみがエネルギーの生成に関与するということである。通常の当業者は、さらなる説明を必要としないであろう。
最大エネルギー出力を達成するため、本発明の装置は、水本体の予想される波動パターンに基づいて好ましくは必要な大きさにされる。その場合、最大直径は、特定の海または海洋に広がる波長の好ましくは３分の１より小さい、より好ましくは４分の１より小さい。
より良好な結果のため、σＷは少なくとも１５％σＤよりも大きく、好ましくは少なくとも２５％よりも大きい。実際には、２００％より上の値は確実に選ばれない。実際には、σＷは最も好ましくは３０％から１００％の間でσＤよりも大きい。
好ましくは、少なくとも１つのウェルズ・ロータブレードは、直接ダリウス・ロータブレードに連結される。
好ましくは、少なくとも１つのウェルズ・ロータブレードは、直接ダリウス・ロータブレードに連結される。
これは、さらにエネルギー生成の効率を増やす。
これは、ウェルズ・ロータブレードの末端がダリウス・ロータブレードと連結される時に、より当てはまる。
実際には、本発明の典型的な装置は、ｉ）電気を生成するための発電機、および、ｉｉ）油圧を生成するための発電機から選択される発電機を含む。
本発明は、本発明の装置が波動が自然に発生する水の本体において配置される波動エネルギーの利用によってエネルギーを利用する方法にも関連する。そのような水の本体の平均波高（谷と波頭との間の）は、年当たりで少なくとも５０ｃｍである。
好ましい実施態様は、ウェルズ・ロータブレードが、水の本体の高さの下の５分の平均波高の０．５から２．０の間、好ましくは０．８から１．２５倍の間の深さに位置することにおいて特徴付けられる。
好ましくは、少なくとも２つのダリウス・ブレードの上端が年平均の波高の約２倍まで延長する。
したがって、高エネルギー出力を達成することができる。
好ましくは、回転軸の５分の平均は垂直に対して５°未満の配向である。
その場合、最も高いエネルギー出力が達成される。
好ましくは、エネルギーは油圧エネルギーから選ばれ、電気または水素ガスが生成される。
水素ガスは、波動エネルギーを使用して生成される電気による電気分解によって得ることができる。
本発明は、ここで図面によって示される。図面の説明は以下の通りである：
図１は、本発明の波動エネルギーを利用するための装置の斜視図を示す； 図２は、図１の装置の詳細の上面図を示す； 図３は、装置が斜めに配置されたダリウス・ブレードを有する図１の変種を示す； 図４ａ−ｄは、本発明の波動エネルギーを利用するための装置の効率の増加を示す測定のグラフを示す； 図４ａ−ｄは、本発明の波動エネルギーを利用するための装置の効率の増加を示す測定のグラフを示す； 図４ａ−ｄは、本発明の波動エネルギーを利用するための装置の効率の増加を示す測定のグラフを示す； 図４ａ−ｄは、本発明の波動エネルギーを利用するための装置の効率の増加を示す測定のグラフを示す； 図５−８は、剛率という語を説明するための本発明の多くの装置を示す。 図５−８は、剛率という語を説明するための本発明の多くの装置を示す。 図５−８は、剛率という語を説明するための本発明の多くの装置を示す。 図５−８は、剛率という語を説明するための本発明の多くの装置を示す。
図１は、装置がダリウス・タイプの３つの第１のロータブレード１０１とウェルズ・タイプの３つの第２のロータブレード１０２とを有する波動エネルギーを利用するための本発明の装置を示す。第２のロータブレード１０２は、電気を生成するための発電機１０５に連結される中央駆動軸１０４に取り付けられる、それらの末端にある。図１に示される装置は、早期の出願ＷＯ０２／４４５５８にて説明したように、例えば柱（図示せず）を用いて海に入れられる。
図２は、図１の装置のロータブレード１０１、１０２のアセンブリの上面図を示す。ウェルズ・ロータブレード２０２は、ダリウス・ブレード２０１より相当広いことがわかる（Ｗ２＞Ｗ１）。より詳しくは、ウェルズ・ロータブレード２０２の平均幅は、幅が前縁（ウェルズ・ロータブレードではこれは前縁２２６である）から後縁（ウェルズ・ロータブレードではこれは後縁２２７である）までが計算されるダリウス・ブレードの平均幅より相当大きい。ウェルズ・ブレードのこの大きい幅は、より大きい剛率につながる。ウェルズ・ロータブレードの有効な長さは、中央駆動軸４の外周からウェルズ・ロータブレードの末端まで、ここでダリウス・ロータブレードの前縁２２６まで計算される。図２に示される装置は、逆時計回りに回転する。
図３は、ダリウス・ブレード３０１は斜めに配置され、同様に駆動軸３０４に連結される図１の変種を示す。これは、エネルギー出力の増加を与える強い構造につながる。
測定は、図３に示すような装置を使用して実行された。それは、以下の寸法を有する：
−駆動軸の直径：８ｃｍ。
−駆動軸に連結するための連結フランジを含むウェルズ・ロータブレードの長さ：１．１６ｍ（したがって、装置の全体の直径は２．４０ｍであった）；しかしながら、σＷを計算する場合、連結しているフランジは考慮されない。
−ウェルズ・ブレードの最大の厚さ：８０ｍｍ。
−ウェルズ・ブレードの幅Ｗ２（図２参照）：６００ｍｍ。
−ダリウス・ブレードの長さ：２．４０ｍ。
−ダリウス・ブレードの幅：１８０ｍｍ。
−ダリウス・ブレードの最大の厚さ：３３ｍｍ。
−ダリウス・ロータブレードの下端の回転軸への距離：２４０ｍｍ。
−垂直へのダリウス・ブレードの角度：３０°。
σＷおよびσｄの比率は、０．４１／０．２９＝ １．４１であった。言い換えると、図４の測定を実行するための図３の装置において、σＷはσｄよりも４１％大きかった。
ウェルズ・ロータブレードとダリウス・ロータブレードとの間の移行で流量抵抗を減らすため、これらは魚雷型の本体３６１を備える。
比較のため、測定は、（ダリウス・ロータブレードの端部は、回転軸の場所で波動より上で互いに連結された）ウェルズ・ロータブレードなしでの類似した装置で、および、ダリウス・ロータブレードなしでの装置で実行された。上記のように、これらの比較装置の寸法は、図３による装置のものと同様であった。
図４ａ−ｄは、実行された測定を示している４つのグラフを示す。測定は、人工の波が所望の波高および波周期を有して生成される５５ｍ、２０ｍ、および２０ｍの長さを有するタンクにおいて実行された。各々のグラフにおいて、ロータ出力係数（Ｃｐ）は、周速比（ＴＳＲ）に対してプロットされる。グラフにおいて、Ｗはウェルズのみを表し；Ｄはダリウスのみを表し；ＷＤはウェルズおよびダリウスの両方を有する装置であり、Ｗ＋ＤはＷおよびＤのカーブの合計である。ＴＳＲは、表面（軌道速度）の波動の最大速度に関するウェルズ・ロータのブレード端部の速度の比率である。風力エネルギーにおいて、ＴＳＲは多くの場合使用された量である。風が本質的にタービン羽根全体で同じ大きさを有する単に一方向の構成要素のみを有することにおいて、波動と風との間には差異がある。水が波動において動く速度が時のたつにつれて変化し、深さが減少するので、表面での最大速度の値がグラフを作成するために使われた。最大軌道速度は、波動期間Ｔｐによって分割される波形の振幅（＝波高Ｈ／２）に等しい半径を有する垂直の円形軌道に沿った表面で水粒子によって適用された距離であり、したがって２＊ｐｉ＊（Ｈ／２）／Ｔｐ＝ ｐｉ＊Ｈ／Ｔｐ（ｍ／ｓ）である。実際には、波高および期間は、当業者によって公知であるように（例えば、音波および気流プロフィーラ、ｗａｖｅ−ｒｉｄｅｒ（登録商標）ブイのような）波動測定器によって測定される。ＴＳＲは、発電機荷重を増やすまたは減らすことによって自由に設定することができる。測定は、４つの波動期間Ｔｐ（１／周波数）で実行された。２Ｔｐは、波動が２秒の期間を有する（したがって、第１の波動上部から第２の波動上部まで毎２秒）ことを意味する。
図４ｂ−ｄは、およそ４ＴＳＲで、測定されたＣｐはダリウス・ロータのＣｐおよびウェルズ・ロータのＣｐの合計より大きいことを示す。短波の期間（図４ａ）の場合には、この相乗作用は観察されないが、測定されたＣｐは、ウェルズ・ロータのみのそれよりもさらに高い。それとともに本発明の装置を用いて、いつでも効率の相当な改良を達成する。
関心がある素人のために図５から８は、（ダリウス・ロータの表面領域を取り除いた）表面Ａｄと、（ウェルズ・ロータの表面領域を取り除いた）Ａｗを示す。ダリウス・ブレード５０１、６０１、７０１、８０１、ウェルズ・ブレード５０２、６０２、７０２、８０２、駆動軸５０４、６０４、７０４、８０４、および、発電機ハウジング５０５、６０５、７０５を見ることができる。加えて、図６はまた、その機能が図３ですでに説明された魚雷型の本体６６１を示す。図８は、ウェルズ・ロータの有効な取り除かれた表面領域を決定するため、ウェルズ輪郭を欠いているウェルズ・ブレードのそれらの部分は考慮から除外されなければならないことを明らかに示す。言い換えると、ＡｗはＡｗ１−Ａｗ２である。図８のウェルズ・ロータブレードの有効な長さは、Ａｗ１の半径からＡｗ２の半径を引いたものである。

Claims (10)

  1. 波動エネルギーの利用のための装置であって、−ダリウス・ロータが剛率σＤを有する少なくとも２つのダリウス・ロータブレードを有するダリウス・ロータと；ウェルズ・ロータが剛率σＷを有する少なくとも２つのウェルズ・ロータブレードを有するウェルズ・ロータと；を含み、−該ダリウス・ロータおよび該ウェルズ・ロータは、共通の回転軸Ａの周りで回転可能であり、−σＷはσＤより大きいまたは等しい装置。
  2. σＷがσＤよりも少なくとも１５％大きく、好ましくは少なくとも２５％大きい、請求項１記載の装置。
  3. 少なくとも１つの前記ウェルズ・ロータブレードが前記ダリウス・ロータブレードに直接連結される、請求項１または２記載の装置。
  4. 前記ウェルズ・ロータブレードの末端が前記ダリウス・ロータブレードに連結される、請求項３記載の装置。
  5. 前記装置は、ｉ）電気を生成するための発電機、および、ｉｉ）油圧を生成するための発電機から選ばれる発電機を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
  6. 請求項１から５のいずれかに記載の装置は、波動が自然に発生する水の本体において配置される、波動エネルギーの利用によってエネルギーを生成するための方法。
  7. 前記ウェルズ・ロータブレードが、水の本体の高さの下の５分の平均波高の０．５から２．０の間、好ましくは０．８から１．２５倍の間の深さに位置している、請求項６記載の方法。
  8. 少なくとも２つの前記ダリウス・ブレードの上端が年平均の波高の約二倍まで延長する、請求項６または７記載の方法。
  9. 前記回転軸の５分の平均が垂直に対して５°未満の配向である、請求項５から８のいずれか一項に記載の方法。
  10. エネルギーが油圧エネルギーから選ばれ、電気または水素ガスが生成される、請求項５から９のいずれか一項に記載の方法。
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