JP2012505995A - ウインチ動作波力発電プラントのための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、波からのエネルギ吸収のために浮遊ブイ（１）が配置される、波力発電プラントに関する。このブイは、ひとりでに締まるウインチ（２）上に巻き入れられるワイヤ（３）によってつなぎ留められている。波動がブイを持ち上げると、ウインチケーブルドラムが外側に回転することを強いられる。この回転力運動が、機械エネルギ吸収および変換システム（１０）に導かれ、そこで、エネルギが機械手段によって変換されて、回転出力駆動軸（８）へ伝達され、そこからそれが他の有効な形のエネルギ、例えば電気にさらに変換されることができる。本発明はウインチ駆動軸（４）と出力駆動軸（８）との間にフリクションクラッチ（６）を備え、それが激しい波の出来事の間の極端な負荷に対して発電プラントおよびそれの中の構成部品を保護する。フリクションクラッチは、発電プラントが波からどの程度の負荷を吸収することができるかの閾値を設定する。一実施態様において、これは電子コンピュータによって制御されるフリクションクラッチを有することによって達成され、それが、ウインチワイヤ（３）上の力、トルクおよびウインチまたはウインチ駆動軸の速度のような基本的パラメータを測定することに基づいて、発電プラントが波によって生じるどれくらい大きい最大負荷にさらされることができるかの閾値を設定する。時間単位あたりエネルギ、速度または所定の波からシステムに導かれることができる力の合計がフリクションクラッチによって決定される閾値（複数閾値）より大きい場合、ワイヤが増大された抵抗を提供せずに引き抜かれるようにフリクションクラッチがすべり、および、波が通り過ぎるまで、ブイが単に波とともに漂う。この設計特徴は、システムの構築費および維持費を低下させることに寄与し、それが極端な波を乗り切るのを助ける。
【選択図】 図１ 図２

Description

特許文献において、１０００を超える装置が、海洋波のエネルギを有効なエネルギに変換するために記載されている。いくつかの波エネルギ概念が、異なる技術的アプローチに基づいて提示されてきた。これらの以前の概念において認識されていなかったことは、海洋波からのエネルギの成功する商業的活用にはプラントが１つ（以上）の固有のまたは補助的な過負荷保護機構（複数機構）を有する必要があるということである。経済的に実行可能になるために、プラントは最も極端な波との遭遇に取り組むためのなんらかの戦略を持たなければならない。本質的には、プラントは平均的大きさの波およびより小さな波とは異なって極端な波と相互作用しなければならない。平均的大きさの波およびより小さな波では、プラントはそのエネルギ生成を最大化するために、出来るだけ多くのエネルギを吸収しようとしなければならない。しかし、極端な波では、それに伝えられる場合、そのエネルギがプラントまたはそのパワー変換機械に損傷を与える可能性があるので、その波から過度のエネルギを吸収するのを回避するように異なって動かなければならない。これは異なる海洋環境に対する波エネルギのより広い適用を可能にするとともに、設計費用および維持費を抑える。

本願明細書に記載される本発明は、海洋波からエネルギを吸収する浮遊ブイと、ブイに取り付けられるかまたはさもなければ接続されるひとりでに締まるウインチとを備えるウインチ動作波力発電プラントを備える。波からのエネルギが、ウインチおよびそれに接続されるパワーテークオフシステムによって吸収される。このシステムは、システム自体が処理することができるより多くのエネルギをシステムに入れさせないという単純な原理に基づく過負荷保護戦略を含む。これは、ウインチが激しい波の出来事で増大された抵抗を提供せずに繰り出されることができるフリクションクラッチによって可能にされ、それで、ブイが激しい波の上に容易に持ち上げられることができて、波に埋められ、次いで生じるであろう極端な流体力学的力にさらされる代わりに、波とともに動くことができる。

本発明に従う装置は、以下の要素およびサブシステムを備え、そのいくつかは、別々に、公知で利用可能な技術に基づく：
・波エネルギを吸収する浮遊ブイ１
・ひとりでに締まるウインチ２
・ブイとウインチを相互接続するワイヤ３
・ウインチワイヤおよび回転ウインチ経由でブイから吸収される機械エネルギを有効なエネルギに変換する、ウインチに接続される機械エネルギ吸収および変換システム１０
・ウインチ駆動軸を通して伝達される時間単位あたりエネルギが特定のレベルに到達するとすべる過負荷保護フリクションクラッチ６

システムアセンブリは、部品およびサブシステムが独立に有しない特定の特性を有する。

別々に、これらの要素は本願明細書に記載される本発明によって対処される課題：プラントおよびその中の構成部品が極端な波によって破壊されることなくプラントの十分に低い費用設計で海洋波からのエネルギを活用すること、を解決することが可能でない。

この文書にて説明したように、および、特許請求の範囲に従って、要素の組合せがプラントの十分な費用削減を提供して、かつエネルギ供給源としての波力の技術的商業的現状打破を伴うと信じられる。キーポイントは、さまざまな要素がこの特定の配置で組み立てられるときに、部品およびサブシステムが高価な寸法設計要件を伴わずに極端な波を乗り切ることができ、かつ乗り切るであろう波エネルギ吸収および変換システムの根本的基本構造を共に作り上げるということである。

波エネルギシステムのいくつかの公知の記述はしかしながら残存可能性および費用効果性に関しては同じ機能的利点を与えることなく、本願明細書に記載される本発明の要素と混同される可能性がある要素を有する。

ウインチ動作波力発電プラント
ドラム上で回転するワイヤを用いてエネルギが機械的に伝達される波エネルギ吸収浮動ブイに基づく波力システムのいくつかの例が、ある。例えば（特許文献１）および（特許文献２）を参照されたい。しかしながら、これらは、それらが利益をあげなくなるような種類の丈夫な設計を有する必要なく最悪の嵐の状況での最も極端な波との遭遇をプラントが乗り切ることができるのに必要な過負荷保護手段を欠いている。

フリクションクラッチ（複数クラッチ）
本発明に従う装置によって与えられる過負荷保護の原理は、システムに伝えられるエネルギ量が決して過度にならないように、最大パワー入力限界に達すると波からのより多くのエネルギを単に「解放」し、かつ、吸収しないことによってパワースループットを限定することに関する。この基本的な原理は、極端な波でのウインチでつなぎ留められたブイに基づく海洋波力吸収およびパワー変換システムの残存可能性戦略の一部として他の文献に決して記載されていない。

実際問題としてこの原理を実行するために、本願明細書に記載される本発明はウインチ２と機械エネルギ吸収および変換システム１０からの出力駆動軸８との間にフリクションクラッチ６を備える。一実施態様において、このフリクションクラッチは、コンピュータによって制御される組込み電磁石によって係合され切り離される。ウインチ駆動軸４を通してワイヤ３とウインチ２経由でブイ１から伝達される時間単位あたりエネルギ量がコンピュータによって規定される特定の上限に到達したときに、コンピュータがフリクションクラッチを切り離すようにプログラムされる。コンピュータは、例えば次のパラメータの測定に基づいて計算を連続的に実行することによってこの上限を決定する：ワイヤ３、ウインチ駆動軸４上のトルクおよびシステムの回転速度に作用するブイ１からの力の強度。

波力発電プラントにおけるフリクションクラッチの使用が、（特許文献３）、（特許文献４）および（特許文献５）内に言及されている。しかし、これらは、波力発電プラントが、不当に大きい設計費用を招かずに、暴風およびハリケーンの場合には海洋波の折に触れて極端な力との遭遇を乗り切ることが可能なために必要な特性を欠いている。

ＵＳ ２００５／０１２１９１５ ＧＲ ９９０１０００３０ ＤＥ ２８５０２９３ ＷＯ ９６／３０６４６ ＵＳ ４２２８３６０

波力技術の説明
本発明は、次に実施態様の例を用いて、かつ、付随する図を参照して更に詳細に記載される。

機械エネルギ吸収および変換システムを備えたウインチを示す。 海底上の係留構造体９に接続されるブイ１を備え、およびそこで、ウインチならびに機械エネルギ吸収および変換システム機械がブイの中に設置される、本発明の一実施態様を示す。

本発明の概要
本発明に従う装置はエネルギ吸収および変換システムを備えた波エネルギ吸収浮動ブイを備え、それが海底またはどこか他の所の上で、ブイの中に配置されることができる。図１および２が、本発明に従う装置の原理を例示する。浮遊ブイ１は、吸収要素として働く。このブイは、ウインチワイヤ３によってウインチ２に接続される。波力がウインチワイヤの長手方向にブイ１を動かすときに、ウインチが回転することを強いられるような方法で、ウインチワイヤ３によってブイ１とウインチ２が接続される。ウインチおよびウインチワイヤは、海洋表面の波の下でブイと基準体を相互接続する。この基準体は、遠洋のアンカープレート、図２で示す海底のアンカー９、海底の岩盤内の開きボルトまたは異なるアンカー装置であってもよい。図２内に図示された実施態様において、ウインチならびにエネルギ吸収および変換システムはブイ内にある。しかし、それらの要素はまた、ブイ内に一体化される代わりに、他の場所に、例えば海底でまたは遠洋のアンカー装置内に配置されることができる。ウインチが回転することを強いられる時波から吸収されるエネルギはウインチ駆動軸４から、高速回転駆動軸８で終わる機械エネルギ吸収および変換システム１０に、回転運動の形で伝達される。この駆動軸から、技術者にとって周知の方法によって、エネルギは他の形に、および、最終的には電力にさらに変換されることができる。高速回転駆動軸８から出力されるエネルギを他の形の有効なエネルギに、および、電気に変換する方法は、この特許出願の問題ではなく、したがって、記載されない。

ウインチは、ひとりでに締まる。これは、ブイ１を動かして、ウインチワイヤ３を引き抜いた波力が十分に低下するときに、それがそれ自体で中に巻き戻すことを意味する。ウインチのひとりでに締まる機能は、機械技師にとって周知の、機械、液圧または電気電動手段によって達成されることができ、したがって、この本文内にさらに記載されない。

機械エネルギ吸収および変換システム
機械エネルギ吸収および変換システム１０内部で、回転エネルギがウインチ駆動軸４から出力駆動軸８に伝達される。この文書では、本発明の好ましい実施態様において、駆動軸８がウインチ駆動軸４より急速に回転するように、機械エネルギ吸収および変換システムが回転速度をシフトアップする１個以上の歯車５、７を含むので、駆動軸８は高速回転駆動軸と称する。これらの歯車は、しかしながら任意選択である。このシステムの機能は、ウインチから回転エネルギを取り込んで、かつ、出力駆動軸８にその回転エネルギを伝達することであり、そこからそれが有効なエネルギにさらに変換されることができる。

過負荷保護方針
過負荷に対して、波力発電プラントならびにそれの中に含まれる部品およびサブシステムを保護するための根本的な原理は、単純である：ブイに遭遇する時間単位あたり波エネルギの量が過度のときに、ブイが単にそのエネルギを吸収しない。これは、システムに投入されることができる時間単位あたりエネルギ量を本質的に限定するエネルギ変換および吸収システムを設計することによって可能にされる。この考えは、その中の波力があまりに大きくなると波に抵抗しようとせず、その代わりに道を譲って、極端な波のパワーの大部分、破壊エネルギピークが通り過ぎて、海に留まることができるようにするので、この波力発電プラントが最悪の極端な波に耐えることが可能なはずであるということである。

過負荷保護フリクションクラッチ
機械エネルギ吸収および変換サブシステム１０ならびにそれの中の構成部品がさらされる、波動によって生じる速度および力ならびに回転トルクが、機械エネルギ吸収および変換システム１０の内側に、またはウインチ駆動軸４と機械エネルギ吸収および変換システムとの間に、取り付けられる過負荷保護フリクションクラッチ６によって限定されることができる。

システム内の過度の速度を回避するために、ウインチの速度が所定の閾値を超える場合、機械式フリクションクラッチ６がすべるように設定されることができる。または、ウインチ駆動軸の回転トルクが過度になる場合、フリクションクラッチがすべるように設定されることができる。また：ワイヤに加えられる力があまりに大きくなる場合のような、他の条件が満たされる場合、フリクションクラッチがすべるように設定されることができる。一つ以上の制御システムが、フリクションクラッチ内部の圧力を調整し、それによって、フリクションクラッチがすべるべき時とそうでない時を決定することができる。この種の制御システムは、ジェームズワットが彼の画期的な蒸気機関で使用した名高い遠心調速機のような機械式種類であることができる。または、それらは等しく作動する液圧構成部品から構成されることができる。しかし、今日の技術によって、好ましい選択肢は電子システムにフリクションクラッチの動きを制御させることであろう。

フリクションクラッチは、それの上へ取り付けられる電磁石と共に設計されることができ、それ（電磁石）が始動および停止されることができ、および、その磁気強度が変化させられ、それによってフリクションクラッチの圧力を調整することができる。これらの可変電磁石は、クラッチ内の圧縮力がコンピュータからの信号に従って調整されるように配置する。フリクションクラッチは、加えて、電磁石またはそれを制御するシステムの故障の事態でクラッチ内の最小の機械圧縮力を確実にする組込み機械ばねを有することができる。電磁石は組込み機械ばねの効果を補強することができ、フリクションクラッチがより高いトルクを伝達することを可能にする。組込み機械ばねの力に反作用することによって、それらはまた、反対方向に働くことができる。これらの電磁石によって生成されることができる反作用力は組込み機械ばねからの力を完全に相殺するのに十分に強く、その結果、フリクションクラッチが完全に離れることができる。組込み機械ばねによる圧力は、単独で電磁石からの補強なしで、フリクションクラッチが最も極端な波によって生じるブイおよびウインチワイヤの急速な動きの事態ですべることを確実にするのに十分に小さくなければならない。

機械エネルギ吸収および変換システムの対応する部品と関連した電子センサが、システムおよびシステム内の個々の構成部品の異なる物理量の状態を連続的に測定し、そこで以下のパラメータの１つ以上が不可欠である：
・ウインチ２またはウインチ駆動軸４の回転速度
・ウインチ駆動軸４のトルク
・波エネルギ吸収ブイ１からウインチワイヤ３またはウインチ２に加えられる力

センサからの測定データが、即座にコンピュータに送信される。コンピュータが、フリクションクラッチ内の電磁石を制御する。コンピュータは、これらの入力データに基づいて、システムに投入されるパワー（時間単位あたりエネルギ）の流れをいつでも算出し、ならびに、内部システムを過度の速度、過剰な力および過度のエネルギ入力から保護するために、必要なときにフリクションクラッチ６を切り離し、かつ、好都合な時にそれを再係合するようにプログラムされる。コンピュータは例えば、ウインチ２の回転速度が特定の所定の閾値Ａを超えるときに、および、回転速度に関係なくウインチ駆動軸４内部のトルクが所定の閾値Ｂを超えるときに、フリクションクラッチを切り離すようにプログラムされることができる。コンピュータは加えて、例えばウインチの回転速度がＡより小さい所定の閾値Ｃを超えるときに、および、ウインチ駆動軸のトルクが同時に、Ｂより低い値Ｄを超えるときに、フリクションクラッチを切り離すようにプログラムされることができる。フリクションクラッチの係合および解放のための複数の他の条件が、コンピュータにプログラムされることができる。フリクションクラッチを再係合するための条件は、解放の条件の正確な逆である必要はない。フリクションクラッチが回転速度値Ａですべる場合、それはＡより低いまたはゼロでさえある値Ｅで再係合することができる。

フリクションクラッチの解放は、また、パワーの流れ、力、トルクまたはウインチもしくはそれと関係する回転要素の回転速度以外の何かに依存することができる。例：解放は、手動でまたは遠隔制御コンピュータシステムによって制御されることができる。フリクションクラッチの手動のまたは遠隔コンピュータ制御の解放は、例えば暴風出来事で実行されることができるかまたは悪天候を警告する天気予報に基づくことができる。コンピュータは、また、来るべき暴風または来るべき高い波のような入力測定データの特定の特性またはパターンを認識して、それで働くようにプログラムされることができる。または、システムの重要な部品内の温度が特定のレベルより上に上昇すると、解放が実行されることができる。

１ 浮遊ブイ
２ ウインチ
３ ワイヤ
４ ウインチ駆動軸
５ 歯車
６ フリクションクラッチ
７ 歯車
８ 出力駆動軸
９ アンカー
１０ 機械エネルギ吸収および変換システム

Claims (8)

1. 海底にまたは別の基準点にウインチワイヤ（３）経由で波エネルギ吸収体（１）を接続するひとりでに締まるウインチ（２）を備えたウインチ動作波力発電プラント用の装置であって、そこで、前記ウインチケーブルドラムが回転出力駆動軸（８）に機械エネルギ吸収および変換システム（１０）経由で接続され、そこで、前記機械エネルギ吸収および変換システム（１０）が前記ウインチ駆動軸（４）と前記出力駆動軸（８）との間で、それがすべるように設定され、それによって前記機械エネルギ吸収および変換システムを通して前記回転ウインチからの機械回転エネルギの流れを妨害するかまたは減少させることができる、フリクションクラッチ（６）に接続されて、前記機械エネルギ吸収および変換システムによって吸収される時間単位あたりエネルギ量が、前記フリクションクラッチがどのくらいすべるかによって限定されるようにし、それが、前記ウインチおよび前記ウインチ駆動軸（４）の過度の速度および／または力で働くことによって前記フリクションクラッチを制御する制御システムを備える、ことを特徴とする装置。
2. 前記制御システムが、前記ウインチおよび前記ウインチ駆動軸の前記回転速度が特定の所定の閾値を超えると前記フリクションクラッチを切り離すようにある制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記制御システムが、前記ウインチ駆動軸（４）内部のトルクまたは前記ウインチワイヤ（３）もしくは前記ウインチ（２）上に前記波エネルギ吸収体（１）から働く力が特定の所定の閾値を超えると切り離されるように、前記フリクションクラッチを制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記フリクションクラッチが、組み込まれた電磁石からの磁力によって係合されるかまたは切り離されることができ、そこで、前記システムおよびその個々の構成部品の異なる物理的測定パラメータにわたる連続的入力データに基づいて計算を実行することによって、前記フリクションクラッチをいつ係合し、かつ切り離すかを決定するコンピュータによって、前記電磁石の強度および方向が制御され、そこで、前記ウインチワイヤ（３）上の力、前記ウインチ駆動軸（１８）上のトルクおよび前記ウインチ駆動軸の回転速度が、不可欠であり、前記波力発電プラントおよびその構成部品を極端な波からの損傷する相互作用から保護するために、前記フリクションクラッチが、必要なときに切り離され、前記ウインチから前記出力駆動軸（８）への前記機械力の流れを断つかまたは減らすことができ、かつ、好都合な時に、例えば前記クラッチの入力軸および出力軸の回転速度が等しいかゼロである時、再係合されるようにする、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記機械エネルギ吸収および変換サブシステム（１０）が、前記ウインチケーブルドラムと前記フリクションクラッチ（６）との間に歯車伝達システム（５）を含み、前記フリクションクラッチの前記回転速度をシフトアップする、請求項１に記載の装置。
6. 前記機械エネルギ吸収および変換システム（１０）が前記フリクションクラッチ（６）と前記出力駆動軸（８）との間に歯車伝達システム（７）を含み、前記出力駆動軸が前記フリクションクラッチより急速に回転することができるように、前記回転速度をシフトアップする、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記フリクションクラッチの変化する係合、解放および再係合を制御する前記コンピュータが、前記システムのさまざまな部品内の温度を測定することからなされる計算、前記システムを通してのエネルギの流れ、または来たるべき暴風もしくは極端に高い波が来ていることの警報と解釈されることができる統計的入力測定データ、に基づいて働くようにプログラムされることができる、ことを特徴とするおよび４に記載の装置。
8. 前記フリクションクラッチが、手動でまたは遠隔制御によって制御されるよう配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。

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