JP2011529153A - 波エネルギコンバータ - Google Patents

Abstract

海波から、エネルギ、特に電気エネルギを得るためのシステムについて記載する。細長い弾性チューブ（１２）は海面（２０）（または海面下の浅い深さ）に浮遊し、少なくとも部分的に波の伝播方向（Ｄ）と平行に延在する。チューブは波が通り過ぎるにつれて屈曲し、チューブが屈曲すると、伸張量が変化すると電気を生成するＳＳＭ（合成伸縮性材）（４４、６０、６２）が伸張および弛緩する。チューブの電力取出装置からの電気は、電気的に合算される。

Description

発明の背景
海波エネルギは海面に集中しており、海面から深くなるにつれて指数関数的に減衰する。深海波については、エネルギの減衰は、半波長と等しい深さ（波エネルギ領域の底部）での残存波エネルギが表面のエネルギの５％以下となるようなものである。海波からエネルギを、特に電気の形態で抽出するためのシステムが開発されている。

ＥＡＰ（electro active polymers：電気活性ポリマー、たとえばＰＶＤＦまたはポリ塩化ビニル、エレクトレット等）などの近年開発されたＳＳＭ（synthetic stretchable material：合成伸縮性材）によれば、引伸ばされたり伸び量が変化したりすると電気が生成される。このようなＳＳＭ材は、ペルリン（Pelrine）による米国特許第６，７６８，２４６号、パイ（Pei）による米国特許第６，８１２，６２４号、およびイシド（Ishido）による米国特許公開第２００１／１００２９４０１号に記載されている。簡単かつ効率的なシステムを用いて海波から電気エネルギを生成すれば有意義であろう。

発明の一実施例によれば、ＳＳＭ（合成伸縮性材）を効率的に用いて、海波から電気エネルギを生じさせるためのシステムが提供される。一システムにおいて、屈曲可能なチューブ、特に弾性材料からなるチューブが海面に位置し、チューブは海面に浮遊する。チューブは細長く、少なくとも部分的に波伝播の方向と平行に延在する。波は弾性チューブに隆起を生じさせ、隆起はチューブの長さに沿って伝播する。ＳＳＭ材料の帯がチューブの中心線の周りに延在し、隆起が帯を通り過ぎるにつれて伸張および弛緩し、電気を生成する。

波もチューブを屈曲させる。波を機械的および／または電気的エネルギに変換するためのいくつかのＳＳＭ電力取出システム（ＰＴＯ）が、チューブの長さに沿って離間される。ＳＳＭ材料のシートがＰＴＯ同士の間のチューブの中心線と平行に延在し、ＳＳＭシートは、チューブの上部および底部に位置する。波の曲線に従うようにチューブを屈曲させると、ＳＳＭシートの伸張が繰り返し増減し、それによってＳＳＭシートに電気を生成させる。

ＳＳＭ材料を有する多数のチューブは、波エネルギ抽出区域に位置する。チューブは、短い電気ケーブルによって互いに接続され、チューブは海底に係留される。複数のチューブの出力は、電圧が適度にしか変動しない電力を生じさせる電子回路に送出される。

別のシステムでは、弾性チューブは海波の谷の水位に位置し、大部分の時間、海波の下に位置するように係留される。波の頂より下の水圧が増大すると、チューブの対応する箇所が圧縮されるが、波の谷より下に位置するチューブ箇所は圧縮されないままである。チューブの断面の変動を用いて、ＳＳＭ材料のシートを伸張および弛緩させる。

発明の新規な特徴は、添付の請求項に詳細に記載されている。発明は、添付の図面と合せて読まれると以下の説明から最もよく理解されるであろう。

波中に位置して示される、本発明の波力発電システムの側面図である。 図１のチューブの断面図である。 図２のチューブの一部分のより詳細な図である。 図１のシステムで使用するための別の横断面形状のチューブの等角図である。 相互接続された電気出力を有するチューブからなるチューブ区域の等角図である。 図１に示した種類の１本のチューブからの出力を示すグラフである。 切換回路の簡略化した模式図である。 図１のチューブの別々の電力取出装置の出力を示すグラフである。 加算した図７Ａの出力を示すグラフである。 チューブがほぼ完全に海中に沈められて位置する、発明の別の実施例の波力発電システムの側面図である。 図８のチューブの断面図である。 端部が閉じられた弾性チューブの側面図である。 波の方向に対するチューブ軸の方向を示す、システムの平面図である。

好ましい実施例の説明
海面波の高さは変化するものであり、通常の穏やかな状態では、波の高さが１メートルを下回り、波の周期が７秒未満となる。波の高さが１〜４メートルであり、波の周期が１０〜１５秒であれば通常の海面状態である。１０年ごとに起こるような大きな嵐では波の高さが４メートルを上回り、波の周期が１８秒を超える。平均海面高度は、波の頂と谷との中間点である。

図１１は、波の方向Ｄと、細長いチューブ１２およびその軸２６の方向とを示す。チューブ軸と波伝播方向Ｄとの角度Ｂは最小であることが好ましい（Ｂは４５°以下であることが好ましい）が、（反対方向に）８０°と大きくてもよい。

図１は、海波から電気を生成するためのシステム１０を示し、システム１０は、弾性チューブ壁と主として水平な中心線１４とを有する細長いチューブ１２を含むコンバータ９３を含む。チューブは係留ライン１６によって係留され、係留ライン１６は海底１８に延在し、チューブを少なくとも部分的に海波動の方向Ｄと平行に延在させ、かつ海面２０に浮遊させる。波２２がチューブの長さを通過するにつれて、チューブは、波動に従う傾向がある隆起２４を生じさせる。図２は、チューブが水２８で充填されていることを示し、チューブの対向端部は開かれており、チューブは弾性の壁２９を有する（５０，０００ｐｓｉ未満のヤング弾性率）。チューブは、空気充填フロート３４などによって海面に浮遊するように構成される。チューブの対向端部３０および３２は、開かれていても閉じられていてもよい。隆起２４は、１０％を超えるが概して５０％未満だけチューブの断面を膨張させる。チューブの壁は図３に示すような構造を有し、図３は、ゴムもしくはポリウレタンなどの弾性材料のチューブ外側誘電壁層４０および内側誘電壁層４２と、電圧が印加された状態で伸張されるか、または伸張された状態から弛緩されると電気を生成するＳＳＭ（合成伸縮性材）材料の中間層４４とを示している。一対の電極４６および４８が中間層の対向面上に位置する。出願人は、ＳＳＭ材料としてＥＡＰ（電気活性ポリマー）を使用することを好む。ＳＳＭ材料から生成された電力は、海底に延在する部分５６と、海底に沿って発電所まで延在する別の部分５８とを有する電力ケーブル５４に、導電体５５を介して送出される。

一層のＳＳＭ材料のみを使用する代わりに、出願人は、（各ＳＳＭ層の対向面に一対の電極を有する）複数の層４４および４５を使用することができる。複数の層は、らせん状に巻かれた長い層で構成することができる。

隆起２４がチューブに沿ったある箇所を通過すると、ＳＳＭ層４４は伸張され、次いで弛緩され、電流を生成する。したがって、波がチューブの長さに沿って通過し、チューブの中心線に沿って移動する隆起を生成するたびに、チューブは電流を生成する。

波がチューブ１２の長さに沿って通過すると、チューブの長さに沿って離間されたチューブのセクション５０は、波の頂の正弦曲率（sinusoidal curvature）に従って上下動する。チューブは、チューブの上部が海面より上に位置する状態で、海面２０に浮遊する。静かな海であれば海水位は５２にあり、チューブは、チューブの上部が海面より上に位置する状態で真っ直ぐかつ水平となる。海波がある場合は、波の谷より上に位置するチューブのセクションは、自重で水中に沈む。逆に、波の頂より下に位置するチューブのセクションは、チューブセクションの上部を海面より上に配置させる傾向がある浮力によって、水中で上昇する。このすべてにより、チューブは波の曲率に従う。

図２は、チューブに沿って離間された６４（図１）のＰＴＯ（電力取出装置）同士の間に延在するＳＳＭ材料のシート６０および６２を示す。ＰＴＯ６４の対は、ＳＳＭシートの対向端部を支持し、シートによって生成される電気を受取る。シートの端部は、チューブの中心線１４から離間された場所に位置する。チューブが海波の曲率に従って屈曲すると、シート６０および６２の一方が伸張され、予め伸張されていた場合には伸張が減少するときのように他方のシートが弛緩する。したがってシートは電流を生成する。シート６０および６２は、チューブの中心線の周りに巻かれ、かつ隆起がチューブに沿って通過すると電流を生成するＳＳＭ材料の層４４に加えて（または代わりに）使用することができる。

出願人が設計したチューブ１２は、直径１メートル、長さ２０メートルであった。
図４は、ややマットレス形状であって、水平幅７２が高さ７４の複数倍であるチューブ７０を示す。波の方向が主として一定である場合、複数のラインでチューブを係留することができ、波の方向が変化する場合は、一本のライン８０でチューブを係留することができる。チューブは、チューブのすべての部分が、チューブを通過する波より少距離だけ上を延在するように屈曲する。

図５はチューブ区域９０の一部分を例示し、チューブ区域９０は、別個のライン９４などで海底に固定されたチューブ９２を各々が含む複数のエネルギコンバータまたはコンバータ装置９３を含む。コンバータはすべて、同じ近傍（隣接するチューブの１００メートル以内、好ましくは５０メートル以内）に位置する。別個の電力ケーブル５４を設けて、各チューブのＳＳＭ材料によって生成された電気を伝えることが可能であるが、設置費用が上昇することになる。その代わり、出願人は、各々がＷＥＣ（波エネルギコンバータ）チューブ同士の間に延在し、かつ全体的に海底に沿って延在しない複数の短い連結ケーブル１００を提供する。複数のチューブのうち一つだけが、海底に沿って発電所まで延在するケーブル５４によって発電所に接続される。

本発明では、一つのＷＥＣ（波エネルギコンバータ）が本体の長さ（または幅）に沿った異なる箇所においていくつかのＰＴＯ（６４、図１）に嵌合される。合成伸縮性材ＰＴＯ（電力取出装置）の配置は、流入する海波によって順々に作動し、それによって多相電気信号を生じさせるようなものである。海波の作用によって、第一の合成伸縮性材ＰＴＯが伸張される。最大伸張に達すると、図６に示すバイアス電圧（Ｖｂ）に帯電される。海波がさらに移動して次のＰＴＯを作動させた後、第一のＰＴＯが弛緩し、次いで、弾性エネルギから電位エネルギへの変換によって、電圧が最大電圧（Ｖｍａｘ）に上昇する。同じメカニズムが、各ＰＴＯについて順に再現される。電荷があるＰＴＯから除去されると、電圧は（回路のＲＣ定数に関連する）既知の放電継続時間にＶｍａｘからゼロに降下する。十分なＰＴＯを有することによって、放電継続時間よりも速く、連続したＰＴＯを切替えることが可能となる。そうすれば、主な出力電圧は、Ｖｍａｘ前後の極めて狭い制御可能な範囲内でのみ変動することになる。

一実施例において、ＰＴＯは、変形可能なＷＥＣ（波エネルギコンバータ）の長さに沿って波の伝播方向に（対象の波長の何分の一かだけ）規則的に離間される。この場合、切替順序は、ＷＥＣの上流波側に配置される第一のＰＴＯから始まり、下流波側に配置される最後のＰＴＯへと漸進する。その結果、電圧の「電波」は、実際の海波と同じ速度でＷＥＣの長さに沿って伝播する。合成伸縮性材ＰＴＯが、あらゆる方向から到達する不規則な海波状態によってランダムに作動したとしても、同じ原理を当てはめることができる。出力電圧をほとんど一定に維持するために、パワーエレクトロニクスを用いて各ＰＴＯの帯電および放電の順序を最適化する。

電圧を徐々に上げるために、作動しているＰＴＯから作動していない別のＰＴＯに放電させることも可能である。この処理は、電圧がＶｍａｘに十分近くなるまで繰り返すことができる。これにより、ＷＥＣシステムは、海波が小さい時でもＶｍａｘに近い電圧を生成することができる。図７は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの電気制御スイッチ１０２を含む切替回路の簡略化した模式図である。図７Ａは、異なるＰＴＯの異なる時間における出力を表すグラフ１０４を示し、図７Ｂのグラフ１０６は、所与のレベルよりも高い出力を合算した時の合計グラフ１０４を表す。あるＰＴＯから電荷が除去されると、電圧は、既知の放電継続時間中にＶｍａｘからＶｍｉｎに降下する。十分なＰＴＯを有することによって、出力電圧は、グラフ１０６に示した限度内で変動する。

したがって、本発明は、伸張するにつれてエネルギを生成するＳＳＭ（合成伸縮性材）を用いてエネルギを吸収することによって電気を生成するためのシステムを提供する。本発明は、海の状態が穏やかでない時でも、システムによって生成された最大電圧に近い、連続した、かつおおむね一定の出力電圧を生成するためのシステムを提供する。

図８および図９はチューブ１１０を例示し、中心線１１１は静かな海水位１１２より下に位置し、上部１１３は、システムが位置する海域で最も一般的な有用な波高の波の谷１１４の水位あたりに位置することが好ましい。チューブは明確に浮力を有し、一対の係留ライン１２０および１２２によって、海底より上の高さに維持される。出願人は、常に海流と平行に延在するようにチューブの方位を変化させるスイベル１２５に取付けられた係留ライン１２３も示す。チューブの対向端部１２４および１２６は閉じられており、チューブは、油などの比重が若干低い流体で少なくとも部分的に充填することができるものの、大部分は水１２８で充填される。波の頂１３０がチューブのセクション１３２上に位置する時、当該チューブセクションでの外側水圧が上昇し、その結果チューブセクションの直径が直径１３４に圧縮される。波の谷１３６がチューブのセクション１４０上に位置する時、当該セクションの直径は直径１４２に膨張する。出願人は、図９に示すように、水と限られた量の圧縮空気１４６とでチューブを充填することができる。加圧された空気によってチューブが明確に浮力を有するだけでなく、チューブの壁に予め応力をかけ、チューブ壁に向かい合って位置するＳＳＭ材料１４４に予め応力をかけることによって、チューブの初期直径が増大する。チューブは、図３に示した構造を有する。したがって、波の谷１３０があるチューブセクション上の位置に移動し当該チューブセクションの直径が縮むと、チューブのＳＳＭ材料１４４は張力の減少を経る。

チューブ１５４の端部１５０および１５２（図１０）が閉じられている実施例においては、チューブは伝播波モードでは（チューブの端部が開かれているときに機能するようには）機能せず、定常波モードで機能することになる。この挙動は、長さに沿って分散された合成伸縮性材ＰＴＯ１５６を有するチューブに特に良く適する。これは、ＥＡＰ材料などの選択されたＳＳＭ材料を大きく伸張することができることによってのみ可能である。定常波モードでは、共振モードを励起し、したがって波からチューブへの極めて高いエネルギ伝達を実現することが可能である（ばね質量系）。この実施例では、波はＷＥＣの先端上で跳ね返り、チューブの長さを往復し、したがって定常波を生じさせる。

したがって、出願人は、弾性のチューブ壁を有する浮力のあるチューブの使用によって海波から電気を生成するための簡単かつ信頼性の高いシステムを提供する。チューブは、海面に位置するように係留され、したがって海波がチューブ中またはチューブ上を通過するにつれて、チューブは変化を経る。一本のチューブは、チューブの上部が静かな海水位より上に位置する状態で浮遊し、したがってチューブは、チューブの長さに沿って通過する波の形状に従って屈曲する。チューブには、チューブの長さに沿って移動する隆起も生じる。別のチューブは、大部分の時間、海面より下に位置し、チューブの長さに沿って波が通過するにつれて直径の変化を経る。これらのチューブについて、伸張の変化を経ると電気を生成するＳＳＭ材料がチューブの壁に連結され、電気を生成するのに使用される。

発明の特定の実施例についてここに記載し例示したが、当業者は修正および変更に容易に到達し得るものと認識され、したがってクレームはそのような修正および同等物を包含すると解釈されることが意図される。

Claims (12)

1. 海の波伝播方向に沿って移動する海波から電気を生成するための波エネルギコンバータ（９３）であって、当該海は、海面（２０）と、海底（１８）と、海面より下の前記海波の半波長内に位置する波エネルギ領域とを有し、
   チューブの中心線（１４）に沿って延在し、前記チューブの中心線に沿って離間された、前記チューブの異なるセクション（５０）を直線から異なる鉛直方向に異なる量ずらすことができるように屈曲可能な細長いチューブ（１２）を備え、前記チューブは、主として水平に離間された対向端部（３０、３２）を有し、前記チューブは前記海に浮遊し、さらに、
   異なる量伸張されると電気を生成するある量のＳＳＭ（合成伸縮性材）材料（４４、６０、６２）を備え、前記ＳＳＭ材料は、チューブを曲げると電気を生成するようにチューブの壁に連結され、かつ前記ＳＳＭ材料に連結されて電気を伝える導電体（５５）を含む、波エネルギコンバータ。
2. 前記チューブは弾性のチューブ壁を有し、前記ＳＳＭ材料は、前記チューブの中心線の周りに延在し、かつ前記チューブ壁に向かい合って位置するシートの形態であり、海波によるチューブ壁の局所的で一時的な隆起が、前記ＳＳＭ材料を伸張および弛緩させる、請求項１に記載のコンバータ。
3. 前記チューブは主として円形の断面を有し、前記ＳＳＭ材料は、前記チューブ内において、互いの中に位置する複数の円に延在するシートの形態である、請求項２に記載のコンバータ。
4. 前記ＳＳＭ材料は、前記チューブの中心線に沿って離間された、前記チューブの取出箇所（６４）の対の間に延在する細長い部分（６０、６２）の形態である、請求項１に記載のコンバータ。
5. 前記チューブは主として水（２８）で充填されており、前記チューブは、大気を上回る圧力の空気（１４６）を含んで前記ＳＳＭ材料に予め張力をかける、請求項１に記載のコンバータ。
6. 前記チューブの長さに沿って離間された複数の電力取出システムを備え、各電力取出システムは、前記導電体の一つを含み、
   前記ある量のＳＳＭ材料は、異なる量伸張されると電気を生成する、前記チューブの長さに沿って離間された複数の量のＳＳＭ材料を含み、各量のＳＳＭ材料は、前記電力取出システムのうち少なくとも一つに接続され、さらに、
   前記電力取出システムに接続され、前記取出システムの出力を合算するための手段を備える、請求項１に記載のコンバータ。
7. 前記波エネルギコンバータの出力電圧が個々の電力取出システムの最大電圧上昇に連続的に近くなるように接続された、複数の連続して設置されたＥＡＰ（電気活性ポリマー）電力取出システムを備える、請求項１に記載のコンバータ。
8. 下端が海底に接続され、上端が前記チューブに接続された少なくとも１本の係留ライン（１６）を備え、
   前記係留ラインおよび前記チューブは、部分的にのみ海に沈んで位置するように前記チューブを保持するように構成され、静かな海では、前記中心線より上に位置する前記チューブの上端が海面より上に位置する、請求項１に記載のコンバータ。
9. 下端が海底に接続され、上端が前記チューブに接続され、かつ静かな海では完全に沈んだ状態で前記チューブ（１１０）を保持する少なくとも１本の係留ライン（１２０、１２２、１２３）を備える、請求項１に記載のコンバータ。
10. 前記チューブ（７０）は、前記長さに垂直な水平方向の幅（７２）と、鉛直方向の高さ（７４）とを有するマットレス形状であり、
    前記幅（７２）は、前記高さ（７４）の複数倍大きい、請求項１に記載のコンバータ。
11. 海の波伝播方向（Ｄ）に沿って移動する海波から電気を生成するための波エネルギコンバータであって、当該海は、海面と海底とを有し、
    チューブの中心線に沿って延在し、直線から異なる鉛直方向に異なる量ずらすことができるように屈曲可能な細長いチューブ（１１０）を備え、前記チューブは、主として水平に離間された対向端部（１２４、１２６）を有し、さらに、
    異なる量伸張されると電気を生成するある量のＳＳＭ（合成伸縮性材）材料を備え、前記ＳＳＭ材料は、チューブを曲げると電気を生成するようにチューブの壁に連結され、前記ＳＳＭ材料に連結された少なくとも一つの導電体を含み、
    前記チューブは明確に浮力を有し、水中の場所から、大きく上方向に、前記チューブの対向端部へと延在し、かつ静かな海面位（１１２）より下に前記チューブを保持する一対の係留ライン（１２０、１２２、１２３）を含む、波エネルギコンバータ。
12. 前記細長いチューブは、前記チューブが膨張および収縮することができるように弾性材料からなるチューブ壁を有し、前記ＳＳＭ材料は前記チューブ壁に連結されて、前記チューブが膨張および収縮するにつれて、前記ＳＳＭ材料が伸張および弛緩する、請求項１１に記載のコンバータ。

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