JP2012515870A - 電力捕捉システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

波力捕捉システムは、波エネルギー変換装置に接続して、動作中、波動に応じて、波エネルギー変換装置が流体移送管内で流体を加圧するようにする流体移送管；流体移送管から流体を受けるように配置される、タービン装置；流体の圧力および／または流量を感知する、少なくとも１つのセンサ；流体移送管からタービン装置への流体の流量を制御する、可変開口弁；センサによって感知された流量の圧力および／または流量および／またはタービン装置の回転速度に基づいて、可変開口弁の動作を制御するコントローラ；およびタービン装置の動作から電力を取得するための発電システムを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力捕捉システムおよび方法に関し、より詳細には、波エネルギーから電力を取得する、電力捕捉システムおよび方法に関する。

エネルギーの生成において、化石燃料の使用によって生じる、地球温暖化や環境汚染に対する懸念により、いわゆる「グリーン」エネルギー源、すなわち潮の動き、波力および風力などの再生可能エネルギーへと向かう動きがある。

水源、例えば貯水池からの流れが、タービンの動作を駆動して電力を作り出す、水力発電システムが知られている。このような水力発電システムは、制御が比較的に簡単であり、水の圧力と流量は安定している。タービンおよび関連する発電機の動作条件を、一般的な条件に比較的簡単に合わせて、最大の効率と電力出力を提供することができる。

海およびその他の水域の波は、莫大でほぼ未開発のエネルギーを提供するものととらえられ、海から電力を取り出すという目的を達成することを目標とする多くの発明が行われてきた。しかしながら、波力からのエネルギーを取り出すことは、特に波の振動性質と、時間とともに著しく変化する卓越波の状態とにより、技術的に困難である。

波力捕捉システムには多くの例がある。このようなシステムは、波の動作によって動く機械的装置と、得られる機械エネルギーを電気エネルギーに変換する電力変換システムとを有する。しかしながら、これらの周知の波力捕捉システムは一般に、機械的装置内のまたはその近くの電力変換システムを海中において備えるものであるため、電力変換システムの設置、維持および制御が困難である。多くの場合、電力変換システムには油圧が使用され、これは、例えば海中漏れの場合に、さらなる環境リスクを提供する。さらに、現在利用されているこのような油圧システムの例では、比較的低い最大電力の制限があり、より大きな電力に拡張することは容易ではない。加えてこれらの装置は、出力に大きな「スパイク」のある電力を不均一に作り出す傾向があり、電力系統内への伝送に適切である滑らかな出力を提供することが困難である。

本願の氏名で出願された先願の特許文献１は、比較的浅い水で使用される波エネルギー変換装置を備える、波力捕捉システムを開示しており、これは、以前から知られている、波力捕捉システムに関する問題のうちのいくつかに対処している。

特許文献１の波エネルギー変換装置はフラップ部を備え、このフラップ部は、使用時には垂直線に対して傾き、フラップ部の面に作用する波動に応じて、垂直線の周りを前後に振動するように形成、および配置される。フラップ部は、フラップ部の振動によって流体が油圧回路を通って流れ、これが可変容量形油圧モータの動作を駆動するように、容積型ポンプを介して油圧回路に連結される。この油圧モータは、フライホイールを駆動する。フライホイールは、フライホイールに接続される誘導発電機によって、それが電気に変換されるまで、モータからのエネルギーを保存する。

国際公開第２００６／１００４３６Ａ１号パンフレット

油圧回路を通る作動油の流れは、脈動である。パルスの大きさとタイミングは不規則である、というのも、それらは波に依存し、波もまた不規則だからである。不規則な波形と脈動の流れのため、管路を下る瞬時電力（流れと圧力によって生成されるもの）は、平均電力より著しく大きく、典型的には１０倍以上である。つまり、モータが受けるトルクは、各波周期によって大きく変化し、電力の効率的な取り出しは困難である。加えて、管に沿った脈動流は、サージ（ウォーターハンマー）となり、システム制御はより困難になる。

一方で、特許文献１のシステムは、波からエネルギーを取り出す実用的な手段を提供するものであるため、取り出したエネルギーの電気エネルギーへの変換において、波から電気エネルギーを生成するための、改善された、または少なくとも代替的な装置または方法が絶えず必要である。特に、より大きな電力にすぐに拡張可能で、設置、制御および維持の容易な装置への絶え間ない必要性がある。

本発明の第１態様において、流体移送管であって、動作中、波エネルギー変換装置が波動に応じて該流体移送管内の流体を加圧するように、 波エネルギー変換装置に接続される流体移送管；流体移送管から流体を受けるように配置されるタービン装置；流体の圧力および／または流量を感知する、少なくとも１つのセンサ；流体移送管からタービン装置への流体の流量を制御する可変開口弁；センサによって感知された、流体の圧力および／または流量および／またはタービン装置の回転速度に基づいて、可変開口弁の動作を制御するコントローラ；およびタービン装置の動作から電力を取得する発電システムを備える、波力捕捉システムを提供する。

流体移送管からの流体の流量の制御を提供することによって、コントローラは、波動に関連する圧力のサージに関係なく、タービン装置が効率的な範囲で動作するように制御するのを補助することができる。

このシステムはさらに、波エネルギー変換装置と可変開口弁との間に位置する、ポテンシャルエネルギー保存手段を備えることができる。

好適には、ポテンシャルエネルギー保存手段は、流体移送管に接続させて、流体移送管内の流体の圧力変化に関連するエネルギーを保存するように動作させることが可能である。ポテンシャルエネルギー保存手段は、アキュムレータを備えることができる。

波エネルギー変換装置と可変開口弁との間に、例えばアキュムレータなどのポテンシャルエネルギー保存手段を設けることによって、波動による流体中の圧力の増加によって生じるエネルギーサージの少なくとも一部を弱めることができる。例えば、圧力開放弁によってこのようなエネルギーを放出したり、または波エネルギー変換装置の動作に悪影響を与える関連圧力を増加させたり、または少なくとも１つの可変開口弁を所望のまたは最適範囲外のレベルまで開くよりはむしろ、ポテンシャルエネルギー保存手段があると、一時的にエネルギーを保存することができ、システム内のどこかでエネルギーが減少すると、そのエネルギーを放出することができる。

タービン装置は、フライホイールを備えることができる。フライホイールは、好適には、流体移送管内の圧力のサージから発生する余剰エネルギーと、それに応じるタービン装置への流量内のサージを保存することができる。タービン装置の速度は、フライホイールが余剰エネルギーの内のいくらかを保存するので、効率的な範囲に維持することができる。次いで発電システムによってタービン装置にトルクを与えることにより、余剰エネルギーを放出することができる。

これらのポテンシャルエネルギー保存手段、例えばアキュムレータとフライホイールの両方を備えることによって、そして可変開口弁の制御を提供することにより、タービン装置および／または発電システムは、波エネルギー変換装置の動作に悪影響を与えることなく、効率的な動作点で効果的に維持することができる。本システムは、一時的な（機械的にはフライホイール、油圧的にはアキュムレータによる）エネルギー保存によって、システム内でエネルギーの最大量の保持を（安定したやり方で）提供するように動作できるように配置することができる。

可変開口弁によって提供される制御により、システム内では種々の流体を使用することができる。流体には、水、好適には環境に与える影響がわずか、または全くない海水がある。流体移送管で、流体として水（または同様の流体）を使用することによって（例えば、その流体特性および流体移送管からの漏れによる、環境に与える影響のリスクの低い）、タービン装置と可変開口弁（およびコントローラと発電システム）は、波エネルギー変換装置から離れて位置させることができる。よって、タービン装置および／または可変開口弁および／またはコントローラおよび／または発電システムおよび／または少なくとも１つのセンサは、海面上に位置させることができ、好適には、陸上に位置させることができる。本システムでは、通常の動作において、制御信号とセンサ信号は、陸上に位置する構成要素間で送信されるように配置され、好適には、通常の動作（停止、起動、オーバーライド手順を除く）において、制御および／またはセンサ信号が、陸上構成要素と海上構成要素の間で送信されないように配置される。

可変開口弁によって提供される制御、および（例えば）水を流体として使用することによって、種々のタービン装置を使用することができる。例えば、タービン装置は、衝動タービンを備えることができ、好適にはペルトン水車を備える。衝動タービン、具体的にはペルトン水車は、頑丈で効率的であり、そして高出力用途のために、容易に拡張することができる。

コントローラは、各波周期中の圧力および／または流量および／または回転速度の変化の程度に応じて、各波周期中に、可変開口弁の開口を変えるように構成することができる。波周期とは、連続的な波頂と波頂（または谷と谷）の間の時間である。

コントローラは、各波周期中の圧力および／または流量および／または回転速度の変化を低減させるために、各波周期中に、可変開口弁の流量を変えることができる。このようにして、システムのより効率的な動作を得ることができる。

コントローラは、各波周期中に、可変開口弁の開口を変化させて、複数の異なる開口を有するようにすることができる。

コントローラは、実圧力と目標圧力の差、および／または実流量と目標流量の差に基づいて、可変開口弁の動作を制御するように構成することができる。

実圧力は、センサによって測定された圧力、または１つ以上のその他の測定から計算された圧力であってもよい。システムはさらに流量計を備えることができ、実流量は測定流量を含んでもよい。代替的または追加的に、流量は計算された流量を含んでもよい。

コントローラは、各波周期中に、実圧力と目標圧力の差、および／または実流量と目標流量の差を監視し、その差に基づいて可変開口弁の動作を制御して、各波周期中の実圧力および／または実流量を変化させるように構成することができる。

コントローラは、実圧力と目標圧力、または実流量と目標流量の差を低減するための目標時間を表す、所定の時定数に基づいて、可変開口弁の動作を制御するように構成することができる。

好適には、目標時間は、実圧力と目標圧力の差（または実流量と目標流量の差）をほぼゼロに減らすための目標時間である。

目標圧力および／または流量は、システムの最大効率および／または最大出力を提供する、圧力および／または流量とほぼ等しくすることができる。

システムは、タービン装置の回転速度を測定するセンサをさらに備えることができ、この場合、コントローラは、測定回転速度に基づいて、目標圧力および／または流量を決めるように構成される。

目標圧力および／または流量は、測定回転速度に関して、タービン装置の所望される動作効率（例えば動作の最大効率）を提供する圧力または流量であってもよい。目標圧力および／または流量は、所望の範囲内でＫｕの値を提供するように選択してもよく、好適には０．４から０．６であり、ここでＫｕは、タービン装置に提供される、流体速度に対する回転速度の比率を表す。

発電システムは、可変トルク発電機を備えることができ、コントローラは、可変トルク発電機によってタービン装置に与えられるトルクを制御するように構成することができる。

コントローラは、各波周期中に、可変トルク発電機によってタービン装置に与えられたトルクを、各波周期中に、タービン装置の受けたトルクの変動および／またはタービン装置の回転速度に基づいて変化させるように構成することができる。コントローラは、流体によってタービン装置に与えられたトルクの変動に基づいて、各波周期中に、可変トルク発電機によって、タービン装置に与えられたトルクを変化させるように構成することができる。

好適には、コントローラは、各波周期中に、トルクまたは速度および圧力または流量のどちらも変化させるように構成される。

コントローラは、（ｉ）各波周期中の圧力および／または流量および／または回転速度の変動に基づいて、各波周期中の可変開口弁の開口と、(ii)各波周期中のタービン装置のトルクおよび／または回転速度の変動に基づいて、各波周期中に可変トルク発電機によってタービン装置に与えられたトルクとのどちらも変化させるように構成することができる。

各波周期中に、可変開口弁の開口と、可変トルク発電機によってタービン装置に与えられたトルクとをどちらも変化させることによって、各波周期中の圧力／流量および／またはトルク／速度の変動を低減させることができる。

コントローラは、実トルクと目標トルクの差および／または実速度と目標速度の差に基づいて、タービン装置に与えられたトルクを制御するように構成することができる。

実トルクは、トルクおよび／または速度センサによって測定されたトルクか、または、１つ以上の他の測定から計算されたトルクであってもよい。代替的または追加的に、実速度は、トルクおよび／または速度センサによって測定された速度、または１つ以上の他の測定から計算された速度であってもよい。

コントローラは、実トルクおよび目標トルクの差および／または実速度および目標速度の差に基づいて、各波周期中にタービン装置に与えられたトルクを変化させるように構成することができる。

コントローラは、実トルクと目標トルクの差または実速度と目標速度の差を低減させる目標時間を表すさらなる所定の時定数に基づいて、タービン装置に与えられたトルクを制御するように構成することができる。

好適には、さらなる目標時間は、実トルクと目標トルク（または実速度と目標速度）のの差をほぼゼロに低減させるための目標時間である。

目標トルクおよび／または回転速度は、最適の効率および／または最大出力を提供するトルクおよび／または回転速度とほぼ等しくてもよい。

コントローラは、目標圧力、目標流量、目標トルクまたは目標速度の内の少なくとも１つを理想動作圧力値および／または理想動作速度値に基づいて決めるように構成することができる。

コントローラは、理想動作圧力値および／または理想動作速度値を自動的に選択するように構成することができる。

コントローラは、測定されたまたは予想された波の条件に基づいて、理想動作圧力値および／または理想動作速度値を選択するように構成することができる。

コントローラは、システムから取得された電力出力に基づいて、理想動作圧力値および／または理想動作速度値を選択するように構成することができる。

コントローラは、システムからの電力出力をほぼ最大限にするために、理想動作圧力値および／または理想動作速度値を選択するように構成することができる。

コントローラは、システムによって提供される電力出力を決め（理想動作圧力および／または理想動作速度の、少なくとも２つの異なる値に従って制御される場合）、理想動作圧力および／または理想動作速度の少なくとも２つの異なる値のために取得された電力出力を比較し、この比較に基づいて、理想動作圧力および／または理想動作速度の値を選択するように構成することができる。

コントローラは、理想動作圧力および／または理想動作速度の選択値を測定時間中に使用して測定時間中の電力出力を決め、決めた電力出力を、少なくとも１つの前の測定時間中に、理想動作圧力および／または理想動作速度の少なくとも１つのその他の値を使って得られた電力出力と比較し、その後、その比較に基づいて、次の測定時間内に使用する理想動作圧力および／または理想動作速度値を選択するように構成することができる。

コントローラは、理想動作圧力および／または理想動作速度の値を徐々に増減して、理想動作圧力および／または理想動作速度の値の各増分値に対して、測定時間中に、発電システムに提供される回転出力を測定し、その回転出力がその直前の測定時間の回転出力よりも大きいか小さいかを判断し、回転出力が直前の測定時間の回転出力を上回る場合には、理想動作圧力および／または理想動作速度の値を連続して徐々に増やすか、または減らし、回転出力が直前の測定時間の回転出力を下回る場合には、理想動作圧力および／または理想動作速度の値を徐々に減らすか、または増やす。

測定時間は好適には波周期よりも長い。測定時間は、波の周期の１０、１００または１０００倍以上であってもよい。

コントローラは、理想動作圧力の選択値から理想動作速度の値を計算するか、またはその逆に計算するように構成することができる。

コントローラは、タービンの動作を表すモデルに基づいて可変開口弁の動作を制御するように構成することができる。コントローラは、タービンの動作を表すモデルに基づいて、可変トルク発電機によってタービン装置に与えられるトルクを制御するように構成することができる。

このモデルは、圧力または流量を、速度またはトルクの関数として、またはその逆に表すことができる。モデルは、理想速度を理想圧力の関数として、またはその逆に表すことができる。モデルは、圧力の平方根に比例するものとして速度を表すことができる。モデルは、下記の方程式から成るか、またはその方程式で表すことができる。

コントローラは、タービン装置によって受けられる流体速度に対するタービン装置の回転速度の比率が所望の範囲内となるようにシステムの動作を制御するように、構成することができる。コントローラは、０．４から０．６の範囲内のＫｕ値を提供するようにシステムの動作を制御するように、構成することができる。

システムは、複数の流体移送管を備えることができ、その各々は、個々の波エネルギー変換装置に接続され、動作中に、各波エネルギー変換装置は、波動に応じて流体移送管の中の対応する流体移送管内で流体を加圧するようにする。ここで、タービン装置は、流体移送管の各々から流体を受けるように配置される。

本発明のさらなる独立した態様では、動作中に、波動に応じて流体移送管内で流体を加圧する、波エネルギー変換装置へ接続される流体移送管；流体移送管から流体を受けるように配置されるペルトン水車；およびペルトン水車の動作から電力を取得する発電システムを備える、波力捕捉システムの電力取り出しシステムを提供する。

タービン装置は、フライホイールをさらに備える。

本発明の別の独立した態様では、波動に応じて、波エネルギー変換装置によって流体移送管内で加圧される、流体の圧力および／または流量の何れかまたは両方を測定するセンサから信号を受信し、流体の圧力および／または流量に基づいて、流体移送管からタービン装置への流量を制御するように可変開口弁の動作を制御する制御信号を提供するように構成されたプロセッサを備える波力捕捉システムのコントローラを提供する。

本発明のさらなる独立した態様では、波動に応じて、波エネルギー変換装置によって流体移送管内で加圧される、流体の圧力および／または流量の何れかまたは両方を測定するセンサから信号を受信するステップ；および、流体の圧力および／または流量に基づいて、流体移送管からタービン装置への流体の流量を制御するように可変開口弁の動作を制御するステップを含む、波力捕捉システムの動作を制御する方法を提供する。

本方法は、各波周期中の圧力および／または流量の変動に基づいて、各波周期中の可変開口弁の開口が変化するように、可変開口弁の開口を制御するステップをさらに含むことができる。

本方法は、波エネルギー変換装置と可変開口弁との間に位置するポテンシャルエネルギー保存手段にポテンシャルエネルギーを保存するステップをさらに含むことができる。

本方法は、各波周期中の圧力および／または流量および／または回転速度の変動に基づいて、各波周期中の可変開口弁の開口を変化させるステップを含むことができる。

本方法は、実圧力と目標圧力の差および／または実流量と目標流量の差に基づいて、可変開口弁の動作を制御するステップを含むことができる。

本方法は、各波周期中の実圧力と目標圧力の差および／または実流量と目標流量の差を監視するステップと、その差に基づいて可変開口弁の動作を制御し、各波周期中の実圧力および／または実流量を変化させるステップを含むことができる。

本方法は、実圧力と目標圧力の差、または実流量と目標流量の差を低減させる目標時間を表す所定の時定数に基づいて、可変開口弁の動作を制御するステップを含むことができる。

目標圧力および／または流量は、システムの最大効率および／または最大出力を提供する圧力および／または流量とほぼ等しくてもよい。

本方法は、タービン装置の回転速度を測定し、測定した回転速度に基づいて目標圧力および／または流量を決めるステップをさらに含むことができる。

本方法は、可変トルク発電機によってタービン装置に与えられるトルクを制御するステップをさらに含むことができる。

本方法は、各波周期中のタービン装置のトルクおよび／または回転速度の変動に基づいて、各波周期中に、可変トルク発電機によってタービン装置に与えられるトルクを変化させるステップを含むことができる。

本方法は、（ｉ）各波周期中の圧力および／または流量および／または回転速度の変動に基づいて、各波周期中の可変開口弁の開口と、(ii)各波周期中のタービン装置のトルクおよび／または回転速度の変動に基づいて、各波周期中の可変トルク発電機によってタービン装置に与えられるトルクとの両方を変化させるステップを含むことができる。

本方法は、実トルクと目標トルクの差および／または実速度と目標速度の差に基づいて、タービン装置に与えられるトルクを制御するステップを含むことができる。

本方法は、実トルクと目標トルクの差および／または実速度と目標速度の差に基づいて、各波周期中にタービン装置に与えられるトルクを変化させるステップを含むことができる。

本方法は、実トルクと目標トルクの差または実速度と目標速度の差を低減させる目標時間を表すさらなる所定の時定数に基づいて、タービン装置に与えられるトルクを制御するステップを含むことができる。

本方法は、理想動作圧力値および／または理想動作速度値に基づいて、目標圧力、目標流量、目標トルクまたは目標速度のうちの少なくとも１つを決めるステップを含むことができる。

本方法は、理想動作圧力値および／または理想動作速度値を自動的に選択するステップを含むことができる。

本方法は、システムから得られた電力出力に基づいて、理想動作圧力値および／または理想動作速度値を選択するステップを含むことができる。

本方法は、理想動作圧力および／または理想動作速度の少なくとも２つの異なる値に従って制御される際に、システムによって提供される電力出力を決め、理想動作圧力および／または理想動作速度の少なくとも２つの異なる値に対して取得された電力出力を比較し、その比較に基づいて、理想動作圧力および／または理想動作速度の値を選択するステップを含むことができる。

本方法は、測定時間中に理想動作圧力および／または理想動作速度の選択値を使って、測定時間中に電力出力を決め；その決めた電力出力を、少なくとも１つの前の測定時間中に、少なくとも１つの他の理想動作圧力および／または理想動作速度の値を使って取得した電力出力と比較し、その比較に基づいて、次の測定時間内に使用する理想動作圧力および／または理想動作速度を選択するステップを含むことができる。

測定時間は波周期よりも長くてもよい。

本方法は、選択された理想動作圧力の値から理想動作速度の値を計算する、またはその逆に計算するステップを含むことができる。

本方法は、タービンの動作を表すモデルに基づいて、可変流量弁の動作を制御するステップを含むことができる。

本方法は、タービンの動作を表すモデルに基づいて、可変トルク発電機によってタービン装置に与えられるトルクを制御するステップを含むことができる。

本モデルは、圧力または流量の関数として速度またはトルクを表すことができる、またはその逆もある。

本モデルは、圧力の平方根に比例するものとして速度を表すことができる。

本モデルは、下記の方程式から成る、または下記の方程式で表すことができる。

本方法は、タービン装置で受けられる流体速度に対するタービン装置の回転速度の比率を所望の範囲内にするように動作を制御するステップを含むことができる。

本方法は、Ｋｕ値を０．４から０．６の範囲内にするように動作を制御するステップを含むことができる。

本明細書に係る、または本明細書に記載される方法を行うために実行可能な、コンピュータで読み込み可能な命令を備えるコンピュータプログラム製品を提供することができる。添付の図面を参照して、本明細書に実質的に記載されるようなシステムまたは方法も、提供することができる。

本発明の１つの態様による特徴はどれも、どんな適切な組み合わせでも、本発明の他の態様に適用することができる。例えば、装置やシステムの特徴は、方法の特徴に適用することができ、その逆もできる。

本発明の実施形態を、非限定的な例によってここに記載し、下記の図で説明する。

波力捕捉システムの概略図である。 ペルトン水車の効率対パラメータＫｕのグラフである。 短期制御手順における動作速度と圧力の制御と、長期制御手順における理想圧力パラメータの調節の概要を示す、フローチャートである。 図１の波力捕捉システムのコントローラの制御手順を示す、より詳しいフローチャートである。 システムを卓越波候に調整する、自己最適化プロセスを示すフローチャートである。 図１の波力捕捉システムの動作のモードの起動手順と安全手順を示す、フローチャートである。

図１は、波エネルギー変換装置の振動を電気に変換する、発電システムの概略図である。

システムは、適切なリンケージおよび駆動ロッド４によって油圧ラム（ピストン）６に連結された波エネルギー変換装置２を含む。油圧ラム（ピストン）は、シリンダ８内を往復し、複動である。

シリンダ８は、油圧回路１０の一部を形成し、シリンダ８の一端の入口／出口ポート１２と、シリンダ８の反対側の端の入口／出口ポート１４と、逆止め弁１６、１８、２０、２２の配置とにより油圧回路１０に接続されている。

波エネルギー変換装置２は、海底またはその他の水域に固定されたベース部と、ベース部３に対してピボット軸の周りを回転するように取り付けられた一般的には長方形の直立したフラップ部５を備える。適切な波エネルギー変換装置２の例は、例えば、特許文献１に開示されている。動作中、フラップ部５は波動の方向と向き合うように置かれ、フラップ部は波動によってピボット軸の周りで振動し、これにより、ラム６はシリンダ８内で前後に駆動される。

動作中、ラム６は、波動によるフラップ部５の振動により、シリンダ８内で前後に駆動される。ラムの各前進ストロークにおいて、入口パイプ１７からの低圧海水は逆止め弁１６を介してポート１４を通ってシリンダ８内に引き込まれ、高圧海水は、ポート１２と逆止め弁２２を通ってシリンダ８から流体管２４に送り出される。ラムの各後退ストロークにおいて、入口パイプ１７からの低圧海水は、逆止め弁１８を介してポート１２を通ってシリンダ８内へ引き込まれ、高圧海水は、ポート１４と逆止め弁２０を通ってシリンダ８から流体管２４に送り出される。

流体管２４は、油圧回路１０の一部を形成し、シリンダ８の出口１２、１４を一対のスピアバルブ２６（明確にするために、１つのスピアバルブのみを示す）に接続する。スピアバルブ２６は、ペルトン水車２８と整列し、動作中にスピアバルブからペルトン水車バケットにウォータージェットが押し出されて、ペルトン水車２８を回転させる。

図１のシステムの油圧回路は開回路であり、この回路において、海水は、ペルトン水車から出るとシステムへは戻らずに、ドレン管（図示せず）を介して海に戻される。別の実施形態では、油圧回路は閉回路であり、作動油はペルトン水車２８から貯蔵庫またはバッファタンクへ排出され、そこから戻り管を介して入口パイプ１７へ戻される。

空気を含む圧力シリンダから成るアキュムレータ３０は、逆止め弁２０、２２とスピアバルブ２６の間の流体管２４に接続される。アキュムレータ３０内の空気の質量、そのプリチャージ圧力（Ｐ_Ａ）およびアキュムレータ３０の容積（Ｖ_Ａ）は既知である。シリンダ８から流体管２４に流体が送り出されるにつれて、空気は圧縮され、ラム６のポンプ作用によって生成された圧力の内のいくらかは保存される。これは、ペルトン水車２８へ送り出される、流体管２４の中の流体圧力（Ｐ）の変動を滑らかにする効果がある。

ペルトン水車２８は、フライホイール３２に接続され、これを駆動する。フライホイールは、フライホイール３２に接続される誘導発電機／モータ３４によって電気に変換されるまで、ペルトン水車からのエネルギーを保存する。ペルトン水車２８、フライホイール３２およびペルトン水車２８とフライホイール３２を繋ぐ軸は、共にタービン装置を形成する。誘導発電機３４からの出力は、電気系統（図示せず）への接続に適切な電気再生ドライブ３６を介して変換される。

コントローラ３８（一般にはプログラマブル論理制御装置）は、電気再生ドライブ３６および発電機３４に接続され、発電機によってフライホイール３２に与えられるトルクのレベル、および発電機３４によってフライホイール３２から取り出される電力のレベルを制御するように動作可能である。コントローラ３８は、コンピュータインターフェースを含み、オペレータは、これを介して種々のパラメータを選択して修正することができ、または所望であれば、システムの動作を制御することができる。

図１の実施形態において、波エネルギー変換装置２、シリンダ８および逆止め弁１４、１６、１８、２０の配置は、沖に位置する。流量計４０から下流のシステムのその他の構成要素は、沖に位置する。沖または海中の構成要素数が最小限に抑えられるにつれて、より高感度な電子構成要素は陸上に位置し、システムの設置と維持は簡単となる。さらに、通常の動作（運転停止、起動、オーバーライド手順を除く）では、制御およびセンサ信号は、沖および陸上の構成要素の間で送信される必要はなく、これによってシステムはロバストとなり、維持が比較的簡単になる。代替の実施形態では、流量計４０の下流の構成要素の内のいくつかまたは全ては、構造上の沖、例えば、海面上に隆起するプラットフォームに位置する。この場合も、このような構成要素が海面下に位置するシステムと比べると、設置と維持は比較的簡単である。

誘導発電機/モータ３４および関連する電気再生ドライブ３６は可変速度発電システムを形成し、これは、下記により詳しく示すように、制御下において、フライホイール３２から電力を取り出すことによって、最適範囲内でフライホイール３２をスピンさせ続けるために使用される。

コントローラ３８は、２つの独立したソースであるフライホイール３２の端部のタコ／エンコーダ（図示せず）と電気再生ドライブ３６から、タービン装置の回転速度（ω）を表す回転速度信号を受信するように配置される。

コントローラ３８はまた、流体移送管２４を通って流れる流体の流量（Ｆ）および圧力（Ｐ）を測定する流量計４０および圧力計４２に接続される。流量計４０は、４から２０ｍＡの信号を提供する。この信号が４ｍＡを下回ると、流量計４０は故障して、システムは停止状態であると考えられる。圧力計４２は、２つの独立した圧力ゲージを備え、１つのみの圧力信号が要求される場合には、システム冗長性を提供する。

コントローラ３８は、スピアバルブコントローラ４４に接続され、スピアバルブコントローラは、コントローラ３８の制御下で、スピアバルブ２６の開口とそれを通る流量とを決める。各スピアバルブは、任意選択で、コントローラ３８に専用の微細開口信号（それぞれＸ１とＸ２）を提供し、微細開口信号は、個々のスピアバルブの微細開口を表し、スピアバルブがコントローラ３８によって指示されたレベルまで開いたことを確かめるためのチェックとして使用される。

システムの主要な制御は、スピアバルブ２６を通ってペルトン水車２８に流れる水の流量を測定して、発電機３４によって与えられるトルクを制御することによって得られる。コントローラ３８への主要入力は、水流量（Ｆ）、圧力（Ｐ）、タービン装置（ペルトン水車２８、フライホイール３２および軸より成る）の回転速度（ω）、および任意選択で、スピアバルブの開口（Ｘ_１，Ｘ_２）である。

コントローラ３８は、３つの主要出力パラメータを制御する：
１．発電機３４を介してタービン装置（ペルトン水車２８、フライホイール３２および接続軸を備える）に与えられる制動トルク（Ｔ_Ｇ）。このトルクは、ドライブ３６および発電機３４の定格出力によって制限される。コントローラ３８は、必要とされるトルクを表す再生ドライブ３６に信号を送る。
２.スピアバルブ２６の微細開口。各スピアバルブは、コントローラ３８から位置制御信号（Ｘ）を受信する。各スピアバルブが開閉することのできる速度は、スピアバルブの制御に使用されるアクチュエータの性能によって制限される。従って、スピアバルブの位置は、要求される位置から離れる可能性がある。
３.放出弁（図示せず）の開口。コントローラ３８は、開または閉の２つの状態の出力信号を使用して放出弁を制御する。同じ出力信号を両方のバルブの駆動に使用することができる。制御または電力損失の際に、放出弁は制御されて開位置となる。

コントローラ３８は、各波周期中の流量、圧力およびトルクの瞬時値を連続して監視し、発電機３４によって与えられるトルクとスピアバルブ２６の開度とを連続して調整し、ペルトン水車２８の効率的な動作と制御を提供する。

通常ペルトン水車は、バケットの回転速度がウォータージェットの速度の丁度半分以下となるように動作するように配置される。これにより、ペルトン水車は最大の効率で確実に動作する。水車速度のジェット速度に対する比率は、パラメータＫｕによって表される。図２は、一定の状態で動作するペルトン水車のＫｕと効率の一般的な関係を示す。

ほとんどのペルトン水車の用途に関して、理想的な状態のＫｕを有するペルトン水車を設計するのは比較的簡単である、というのもペルトン水車は、発電機の同期速度で動作するからである。例えば、水力発電の用途では、水は一般的にダムなどの一定した水源からきており、ウォータージェット速度は比較的一定している。そして、Ｋｕの最適値を得るには、正しい発電機の速度とバケットの直径を選びさえすればよい。

一方で、波力用途に関しては、各波周期中に回転速度とウォータージェット速度が絶えず大きく変化するため、制御と効率的な動作が困難である。波力用途のペルトン水車を制御するために既知の制御手順が使用されるならば、Ｋｕの瞬時値は各波周期中に大きく変化することが予想される。

コントローラ３８は、各波周期中にスピアバルブの開度を制御することによって各波周期中にシステム内の圧力を制御するように動作可能であることは、本システムの特徴である。波周期よりも短い時間スケールでこのような制御を提供することにより、コントローラ３８は、各波周期中の波動によるシステムへのエネルギー入力の大きな変動にもかかわらず、向上した制御と効率の良い電力の取り出しを提供することができる。

コントローラ３８はまた、各波周期中に、発電機３４によってタービン装置から取り出される電力レベルを連続して制御することにより、タービン装置の速度を制御することもできる。さらに、そうすることによって、電力取り出しの効率を向上させることができる。

コントローラが流体移送管２４内の流体の理想動作圧力(Ｐ_I)を決め、その理想動作圧力（Ｐ_I）をシステムの制御で使用するように動作可能であることは、本システムのもう１つの特徴である。理想動作圧力（Ｐ_I）は、システムから最大電力出力を生成する流体管２４内のアキュムレータ３０における最適油圧である。理想動作圧力（Ｐ_I）は、タービン装置の理想動作速度（ω_I)の計算に使用され、そして、タービン装置の速度の制御に使用される。

実際には、各波周期中に、流体管２４内およびアキュムレータ３０において圧力に大きな変動があるが、コントローラ３８によって使用される理想動作圧力の値は、平均または典型的な圧力および回転速度に影響を与え、そして、システムの動作の効率および電力出力に影響を与える。

圧力やタービン装置速度の制御に使用される理想動作圧力（Ｐ_I）の値は、波周期よりも著しく長い測定時間の間、システムからの測定電力出力に基づいて調整される。コントローラ３８は、電力出力が卓越波条件の最大値であるか、またはこれに近い値であることを確実にするために、理想動作圧力の値を調整する。

コントローラ３８によって使用される、短期および長期の制御手順の概要を、図３のフローチャートに示し、このような手順の例の詳細を下記に説明する。

圧力の短期制御の手順の一例を、図４のフローチャートにより詳細に説明する。コントローラ３８は、はしご形シーケンスを使い、スピアバルブの制動トルク（Ｔ_Ｇ）と微細開口（Ｘ）を制御する。このシーケンスは、一般に約２０Ｈｚの周波数で連続的に繰り返される。

シーケンスの段階１００において、コントローラ３８は、アキュムレータ３０の上流側の流体管２４を通る流体の流量（Ｆ）および流体管２４の流体の圧力（Ｐ）を表す測定信号を流量計４０と圧力計４２から受信する。コントローラ３８はまた、タービン装置の回転速度（ω）を表す測定信号を、タコ／エンコーダと電気再生ドライブから受信する。

コントローラはまた、スピアバルブの開度（Ｘ_１およびＸ_２）を表す信号を、スピアバルブから受信する。

ペルトン水車２８の回転速度（ω）は、各波周期中に連続的に変化する。しかしながら、ペルトン水車には理想回転速度(ω_I)があり、コントローラ３８は、軸速度を理想回転速度（ω_I）に維持しようとする。理想回転速度(ω_I)は方程式（１）を使って理想動作圧力（Ｐ_I）から計算するか、またはシーケンスの次の段階１０４で、メモリ（理想回転速度は一般に、理想動作圧力の更新時にのみ更新される)から読み取る。理想動作圧力（Ｐ_I）は、手動または自動（下記により詳細を示す）の何れかで設定され、その値は既知であり、コントローラ３８に保存される。

上式において、Ｄは有効ペルトン水車径、ＫｕＮｏｍは水車速度のジェット速度に対する比率を表し、無次元パラメータ、pは水密度、Ｃｖはノズル速度の係数であり、流体からペルトン水車２８へのエネルギー伝達の効率を表す。

シーケンスの次の段階１０６において、コントローラ３８は、方程式（２）および（３）を使って、スピアバルブの測定圧力（Ｐ）と微細開口（Ｘ１、Ｘ２）より、スピアバルブ２６を介してペルトン水車２８に与えられる、ウォータージェットの速度（Ｖ_ｎ）とスピアバルブのノズルから出る水の流量(Ｑ_ｎ)を計算する。

その後コントローラ３８は、段階１０８で方程式（４）を使って、フライホイール時定数(t_ω)で表される目標時間（本例では６秒であり、これは波周期の約半分である）内の現在の測定速度（ω）から、軸を理想動作速度（ω_I）に加速または減速させるためにフライホイール軸へ与えられるトルク（Ｔ_I）を計算する。

上式において、Iはタービン装置（フライホイール、ペルトン水車および軸からなる）および発電機３４の組合せの既知の慣性である。実際には、発電機３４の慣性は一般に、タービン装置の慣性のごく一部である。

次にコントローラ３８は、測定回転速度と段階１０６で計算されたスピアバルブのノズルから出る水の流量(Ｑ_ｎ)の値に基づいて、段階１１０で、方程式（５）を使ってタービン装置が受ける現在のトルクを計算する。

上式において、最後の項は回転速度依存損失（例えば、摩擦損失を含む）を表し、経験的に前の測定から定められ、Ｚｅはペルトン水車効率を表す無次元パラメータである。計算値Ｔ_Ｂはコントローラ３８に保存される。

コントローラ３８は、計算したトルク値Ｔ_Ｂと前に計算して保存されたトルクＴ_Ｂの瞬時値を使って、方程式（６）によってフライホイール時定数(t_ω)に等しい平均時間内の平均トルク（Ｔ_ＡＶ）を計算する。これは本例において６秒（波周期の約半分）である。

その後コントローラ３８は、方程式（７）を使い、t_ω（この場合は６秒）の目標時間での理想回転速度ω_Iに対する回転速度を得るために、軸に与えるために要求されるネット反応トルク（Ｔ_Ｒ）を計算する。

コントローラ３８はまた、軸に与えることのできる所定の最大トルク（Ｔ_Ｍａｘ）をメモリから読み取る、または計算する。最大制動は、発電機の電力定格（ＧＲ）および発電機の定格速度（ω_Ｇ）によって決められる。

段階１１４において、コントローラは次いで再生ドライブ３６に発電機３４を介してペルトン水車２８とフライホイール３２の軸に制動トルクを与えるように命令する。与えられる制動トルクが大きくなると、再生ドライブ３６によって提供される出力は大きくなる。要求されるトルクが利用可能なトルクを上回った場合、発電機３４はただ、許容される最大限のトルクを与える。
(9)Ｔ_Ｇ＝Ｔ_R、ただし、Ｔ_Ｒ＜−Ｔ_ＭａＸの場合、Ｔ_Ｇ＝−Ｔ_ＭａＸ

最大値（Ｔ_Ｍａｘ）に与えられるトルクの限界は、水の入力電力が減少するまで一時的に増え続ける軸速度となることがある。

発電機３４によって与えられるトルク（Ｔ_Ｇ）の連続的な調整に加え、コントローラ３８もまた、スピアバルブ２６の開口を連続的に調節することによって、ペルトン水車２８に供給される水の量を連続的に制御し、変動させ、こうすることによって、システム圧力（Ｐ）を制御する。

システム圧力（Ｐ）は、図２に説明するように、Ｋｕの値が理想的には０．５の値にできる限り実現可能に最適化されるように制御されるが、一般には、制御限界のために、０．４から０．６の間に制限される。こうすることによって、ペルトン水車２８が最大限の効率で確実に動作し、ペルトン水車バケットおよびケーシングの浸食が低減される。ペルトン水車２８の回転速度が変化するに従い、ウォータージェットの速度もそれに応じて変化し、回転およびウォータージェット速度（Ｋｕ値によって表される）の比率を同じに維持する必要がある。回転速度（ω）の２乗に比例してシステム圧力（Ｐ）を制御することによって、Ｋｕ値を最適値または最適値の近くに維持することができる。従って、コントローラ３８は、スピアバルブ２６のすぐ上流のシステム圧力（Ｐ）を連続的に調整して、タービン装置の回転速度の２乗に比例するようにする。そのシステム圧力（Ｐ）の制御を、図４に示す動作シーケンスの段階１１６から１２４に示す。

シーケンスの段階１１６において、コントローラ３８は、方程式（１０）および（１１）を使って、測定した速度（ω）に基づき、Ｋｕ値と目標圧力を計算する。

目標圧力は最大限度と最小限度に従う。
(12) Ｐ_T<２５０００００の場合、Ｐ_T=２５０００００。最小限度をＰ_Tに適用する。
(13) Ｐ_T>７００００００の場合、Ｐ_T=７００００００。最大限度をＰ_Tに適用する。

目標圧力(Ｐ_T)は、方程式(１１)〜（１３）より測定された速度の瞬時値（ω）に関して、０．５（または０．４から０．６）のＫｕＮｏｍ値をもたらす圧力となるように決められる。

コントローラ３８は、ここにより詳細を記載するように、圧力を増減してスピアバルブの開口を制御し、計算された目標圧力（Ｐ_T）を達成するように動作可能である。

アキュムレータ３０のすぐ上流のシステムへ流れ込む水の流量（Ｆ）は、流量計４０によって連続的に測定され、コントローラ３８によって監視される。スピアバルブ２６の流量がアキュムレータ３０のすぐ上流の水の流量と全く同じであれば、アキュムレータ３０に出入りする水のネットフローはないので、システム内の圧力は一定に保たれたままである。アキュムレータ３０へ流出入する流れの差を制御することによって、アキュムレータ３０に流出入する水のネットフローを制御することが可能であり、そうすることによって、圧力を制御することが可能である。システム圧力を特定のレベルに制御するために、コントローラ３８は流入が流出と同じであるように、スピアバルブの位置を調節する。システム圧力を変えるために、コントローラ３８は、流入が流出よりも大きくまたは小さくなるように、スピアバルブの位置を調節する。

アキュムレータ３０内の空気の質量として、そのプリチャージ圧力(Ｐ_Ａ)およびアキュムレータ３０(Ｖ_Ａ)の容積が知られており、コントローラ３８は、理想気体の法則を使って、段階１１８において、さらなる目標時間（ｔ_Ａ）内に目標圧力を達成するには、どれくらいの水流（Ｆ_Ａ）がアキュムレータへ流入または流出する必要があるのか（アキュムレータの上流からシステムへの流入は無視する）を計算する。

コントローラ３８はその後、段階１２０でアキュムレータ（Ｆ_Ａ）へ流出入する流れと、流量計４０によって測定されるアキュムレータの上流からシステムへの測定流れ（Ｆ）の差を計算し、目標ノズル流量(Ｆ_T)を取得する。これは、さらなる目標時間（ｔ_Ａ）内で目標圧力を達成するためのスピアバルブのノズルを通る流量である。

任意選択で、最大ノズル流量(Ｆ_Mａｘ)に従う。
(16) ＦＴ＞Ｆ_Maxの場合、ＦＴ＝Ｆ_Max。

目標システム圧力（Ｐ_T）を達成するために、アキュムレータに流出入する計算流れ(
Ｆ_Ａ）とシステムへの測定流れ（Ｆ）の差を制御することによって、システム圧力とシステム圧力の変化率を制御することができる。

コントローラ３８はその後、段階１２２で標準二次方程式を使って方程式（３）を解くことにより、目標ノズル流量（Ｆ_T）を提供するのに必要なスピアバルブ２６の目標開口（Ｘ_T）を計算する。

正値解の要件、およびスピアバルブの所定の最大開口に従うと、
(20) Ｘ_T＜０の場合、Ｘ_T＝０
(21)Ｘ_T＞０．５８の場合、Ｘ_T＝０．５８

方程式（１７）において、パラメータＮはスピアバルブの数を表す。コントローラ３８は、スピアバルブの内の１つが動作可能でないことを検出すると、Ｎの値を２から１に減らし、これによって、自動的に残りのスピアバルブの計算目標開口が増える。この例では、両方のスピアバルブに同じ目標開口（Ｘ_T）が使用される。代替の実施形態では、目標開口を各スピアバルブに対して個々に計算することができる。

コントローラ３８は、段階１２４で、制御信号をスピアバルブ２６に送信し、スピアバルブが決められたノズル開口（Ｘ_T）に開くように制御する。

図４のシーケンスはその後、スピアバルブの新たに測定された流量、圧力、速度および微細開口の値を受信して、再び開始される。このシーケンスは、記載例において、およそ２０Ｈｚの周波数で行われ、通常の海の状態で予想される波周期（一般的に約１２秒）よりもかなり短い時間スケールで繰り返される。与えられるトルクとスピアバルブの開口を制御すること、および速度、圧力、流量をこのような短い時間スケールにわたって監視することにより、本質的な大きな波動入力の変動にもかかわらず、システムは、ペルトン水車の効率的な動作と滑らかな電力出力を提供することができる。

実際には、流量計４０の示度とスピアバルブ２６の制御が正確でない可能性があるため、流入と流出を完璧に合わせることは不可能であろう。このような流れの誤差は、蓄積誤差に依存するアキュムレータ３０に収容することができ、このことにより、システム圧力のドリフトがもたらされる。コントローラ３８は、圧力センサ４２を介して、圧力のどんなドリフトも検出することができ、スピアバルブ２６を通して流れにオフセットを導入することにより、ドリフトを調整することができる。

図４に関する上述の記載から、タービン装置に与えられるトルク（タービン装置の回転速度を決める）は、いかなる場合も、使用される理想回転速度(ω_I)の値に依存し、それは、選択される理想圧力（Ｐ_I）に依存することが理解できよう。スピアバルブ２６の開口ならびに圧力および流量は、いかなる場合も、測定される回転速度（ω）の値に依存する。よって、コントローラ３８によって使用される理想圧力（Ｐ_I）または理想回転速度（ω_I）の値は、たとえ一般に、いかなる場合の圧力（Ｐ）および速度（ω）の値も理想圧力または理想回転速度と等しくなくても、システムの効率および電力出力に影響を与えることが理解できよう。

確かにどのような場合であっても、実際のシステム圧力（Ｐ）は、理想動作圧力（Ｐ_I）と大きく異なることがある。一連の高い電力波がある場合、ペルトン水車の速度とシステムの圧力は増える傾向にある。このことにより、波エネルギー変換装置２の水圧荷重は増える。一般に、電力波が大きくそして高くなると、システム圧力がより高い場合には、より大きな電力が提供される。反対に、より小さくそしてより力のない波は、システム圧力が低くなった場合に、それらの電力の内のより多くをシステムに供給する。従って、システム圧力（Ｐ）は、一連のより大きな波がある場合には増える傾向にあり、より小さな波では減る傾向にあり、このようにして、利用できる電力の中からより多くの電力を取り出す。

理想動作圧力（Ｐ_I）の値は、手動または自動の何れかで設定される。理想動作圧力の設定、制御手順の概要を図５のフローチャートで説明する。

この手順は、システム電源の投入によって開始され、コントローラ３８は、理想動作圧力(Ｐ_I)の値をデフォルト値に設定する。この例では、３５ｂａｒである。コントローラはまた、パラメータＰ_０１およびＰ_０２も初期値ゼロに設定し、フラグＹを初期値１に設定する。パラメータＰ_０１およびＰ_０２は、連続する測定期間における、システムからの電力出力を表すために用いられる。

システムのオペレータはその後、理想動作圧力(Ｐ_I)の値を手動で設定するか自動で設定するかを選択する。値を手動で設定する場合、オペレータは理想動作圧力(Ｐ_I)に所望の値を入力する。この値は、例えば、システムの特性および予想される波特性および／または以前使用した値に基づいて、予め計算してもよい。コントローラ３８は、入力された値が最小圧力よりも小さいか、または最大圧力よりも大きい場合には、理想動作圧力(Ｐ_I)の値を所定の最小または最大圧力に等しく設定する。そうでなければ、コントローラ３８は、理想動作圧力(Ｐ_I)の入力値を使用する。その後システムはその動作状態を入力し、図４の手順に従って、コントローラ３８の制御下で発電を開始する。

オペレータが理想動作圧力の自動選択を選択した場合、システムはその動作状態を入力し、図４の手順に従って、理想動作圧力(Ｐ_I)の３５ｂａｒのデフォルト値を使って、コントローラ３８の制御下で発電を開始する。

コントローラ３８は、波周期(例えば１５分)よりも著しく長い測定時間中、理想動作圧力の値を同じ値に維持する。コントローラ３８は、測定時間中に電力出力を決め、Ｐ_０１値を電力出力に等しく設定する。

コントローラ３８はその後、パラメータＰ_０１の値を直前の期間の電力出力を表すパラメータＰ_０２の値と比較し、この比較に基づいて、所定の増分（本例では、１ｂａｒ）だけ理想動作圧力値を減らす。最初の測定期間の後、パラメータＰ_０２の値はゼロで、Ｐ_０１の値はＰ_０２よりも大きく、理想動作圧力の値は所定の増分だけ増加され、フラグＹは１に等しく設定され、Ｐ_０２の値はＰ_０１の値に等しく設定される。

コントローラ３８はその後、さらに１５分の測定期間の間、理想動作圧力（Ｐ_I）の減少した値、３６ｂａｒを使ってシステムの動作を制御し、測定時間中の電力出力を再度決め、Ｐ_０１の値を電力出力と等しく設定する。

コントローラ３８はその後、電力出力の値を直前の測定期間で得られた値と再度比較し、電力出力が増えたかどうかを再度判断する。電力出力が前の測定期間の最後で、理想動作圧力(Ｐ_I)の値の増加（または減少）の後に増えた場合、コントローラは再度理想動作圧力(Ｐ_I)の値を増やす（または減らす）。また代わりに、前の測定期間と比べて電力出力が減少した場合、コントローラ３８は理想動作圧力(Ｐ_I)の値を減らす（または増やす）。コントローラ３８は、その後の各々の測定期間に関して、同じ手順に従う。そのようにして提供される理想動作圧力(Ｐ_I)の自動同調によって、理想動作圧力(Ｐ_I)の値は、変化する波の状態に合わせて確実に自動的に調整されて、システムの最大電力出力が提供される。

図４の手順で使用される目標時間または時定数、t_ωおよびt_Ａもまた、システムを卓越波の条件に同調させるために使用することができ、平均波周期（例えば６秒）の半分にほぼ等しく設定される。上述の様に、コントローラは、フライホイールの速度をt_ω秒で理想動作速度（ω_I）にし、そしてアキュムレータ圧力をt_Ａ秒で目標圧力（Ｐ_T）にする。

t_ωおよびt_Ａの値は一般に、オペレータによって手動で設定され、卓越波の条件が変化した場合に更新することができる。代替の実施形態において、t_ωおよびt_Ａの値はまた、理想動作圧力(Ｐ_I)の値の設定に使用される同等の手順を使って、自動的に設定することができる。

好適な実施形態によればt_ωの値は１から６０秒の範囲に制限され、t_Ａは０．５から３０秒の範囲に制限される。t_ωの値は最初２４秒に等しく設定され、t_Ａは最初１秒に等しく設定することができ、その後、これらの値はオペレータによって、または自動的に調整され、卓越波環境に同調させることができる。上述の例では、t_ωもt_Ａも６秒に等しく設定される。

コントローラインターフェースを介して、オペレータによって調整されることのできるその他のパラメータには、ＫｕＭａｘ（バケット速度のウォータージェット速度に対する最大所望比率；デフォルト値０．５)、ＫｕＮｏｍ(バケット速度のウォータージェット速度に対する公称比率；デフォルト値０．４５)、ＫｕＭｉｎ(バケット速度のウォータージェット速度に対する最小所望比率；デフォルト値０．４)、およびＦ_Ｍａｘ(スピアバルブを通ることのできる最大流れ；デフォルト値０．０４０ｍ^３／ｓ)がある。ＫｕＭａｘ、ＫｕＮｏｍおよびＫｕＭｉｎの値は、システムを同調させる場合には一般に変えないが、所望であれば変えることができる。

下記のパラメータは、好適な実施形態で下記の値を持つように、コントローラハードウェアまたはソフトウェアで予め設定される：アキュムレータガス容量（Ｖ_Ａ）＝１０００Ｌ;アキュムレータプリチャージ圧力（Ｐ_Ａ）＝２０ｂａｒ；フライホイール、ペルトン水車および発電機の総慣性（Ｉ）＝１００ｋｇｍ^２;各ノズル（Ａ_１およびＡ_２）の全開領域＝０．０００８７４０４ｍ^２；ノズル速度係数（Ｃｖ）＝０．９７；ノズル排出係数（Ｃｄ）＝０．８；ペルトン水車ピッチ円径（Ｄ）＝０．３５ｍ；ペルトン水車バケットの流れ効率（Ｚｅ）＝０．９８；発電機定格出力（ＧＲ）＝３１５Ｋｗ；発電機定格速度（ω_Ｇ）＝３０００ｒｐｍ；水密度（ｐ）＝１０００ｋｇ／ｍ^３；動作するスピアバルブノズルの数（Ｎ）＝２。

図３から図５に関連して記載する動作手順に加え、コントローラはまた、システム圧力（Ｐ）、回転速度（ω）およびＫｕの値を連続して監視するオーバーライドループを提供し、図３から図５の手順のオーバーライドを提供する。

システムを停止させるために開くことのできる、２つの放出弁（図示せず）がある。停電または電源喪失の場合、これらのバルブはデフォルトで開いていて、システムの動作中は、コントローラ３８によって閉じられる。システムの故障またはマニュアル・オーバーライドに応じて使用することのできるハードワイヤードの緊急停止ボタンもある。緊急停止ボタンは放出弁を開き、ドライブをフルロードにしてシステムを素早く停止させる。安全のために２つの放出弁があり、どちらかのバルブを開いてシステムを停止させる。

本システムによって実行されるオーバーライドループを図６に示す。図６から、速度（ω）が所定の最大速度（例では３０００ｒｐｍ）を超えると、コントローラ３８はスピアバルブ２６を閉じ、放出弁を開くことがわかる。同様に、圧力（Ｐ）が所定の最大圧力（例では８０ｂａｒ）を超えると、コントローラ３８は放出弁を開くことがわかる。Ｋｕの値がＫｕ_Ｍａｘの値よりも大きいと、コントローラ３８はスピアバルブ２６を閉じ、トルク信号（Ｔ）をＴ_ｍａxに等しく設定する。Ｋｕ値がＫｕ_Ｍａｘの値の９６％よりも大きい場合、コントローラ３８は、スピアバルブノズル開信号（Ｘ）を目標ノズル開度（Ｘ_T）または、図４の手順の最後の反復からのスピアバルブノズル開信号の値の何れかに等しく設定し、トルク信号（Ｔ）を、要求される発電機トルク（Ｔ_Ｇ）と等しく設定する。

上述の実施形態では、コントローラ３８は、タービン装置の圧力と回転速度の両方を連続的に制御する。代替実施形態または動作モードにおいて、コントローラ３８は、圧力および回転速度の内の１つのみを制御するように構成することができる。

上述の実施形態において、システムの制御は、(理想動作速度の計算に使用される)理想動作圧力の選択値に基づいて行われる。代替実施形態では、理想動作速度、流量またはトルクを、システムの制御動作の基準として、理想動作圧力の代わりに使用することができる。その場合、方程式（１）から（２１）はそれに応じて調整される。

上述の実施形態において、コントローラ３８は、圧力と速度を制御する。圧力と速度は、流量およびトルクとそれぞれリンクされ、コントローラ３８は、圧力と速度に加えて、または圧力と速度の代わりに、流量およびトルクを制御するように構成することができる。その場合、方程式（１）から（２１）はそれに応じて調整される。

タービン装置がペルトン水車を備え、コントローラ３８によって使用される制御手順が、波動によって強く振動する入力が生じても、効率的かつ制御された動作を実現することが図１から６のシステムの特徴である。ペルトン水車は、制御手順と併せて使用される際に、特に電力の効率的な取り出しを実現する。なお、その他のタイプのタービンをペルトン水車の代わりに使用することもできる。

１つの波環境に対して、図３から図６の実施形態において、方程式（１）から（２１）で使用されてきた種々のパラメータをまとめたものを、下記の表に示す。

パラメータの異なる値を、代替実施形態または代替波環境で使用することができる。

図１に関連する上述の実施形態では、１つの波エネルギー変換装置２が１つの流体移送管２４を介してタービン装置に接続されている。代替実施形態では、複数の波エネルギー変換装置がタービン装置に接続されており、その各々は個々の流体移送管を介して接続されている。よってこのシステムは、タービン装置と発電機からより高い出力を提供するために、拡大することができる。タービン装置に並列に接続される、複数の波エネルギー変換装置を設けることによって、動作中の波エネルギー変換装置間の位相差により、タービンの受ける圧力サージを低減させるか、または滑らかにすることができる。流体移送管を組合せて、１台または複数のスピアバルブの上流に、１つの流体移送管を形成することができる。

上述の実施形態にはスピアバルブが含まれるが、どんな適切な可変開口弁も使用することができる。ペルトン水車の使用は有利だが、どんな適切なタービンも使用することができる。

本明細書に記載する実施形態は、ソフトウェア手段によって特定の機能（例えば、コントローラの機能）を実行するが、その機能はハードウェア（例えば、１つ以上のＡＳＩＣ（application specific integrated circuits；特定用途向け集積回路））のみでも、ハードウェアとソフトウェアの混合によっても同様に実行することができる。よって本発明の範囲は、ソフトウェアのみまたはハードウェアのみで、限定して実行されるものと解釈してはならない。

本発明の実施形態、またはこのような実施形態の少なくとも特有の特徴は、コンピュータシステムで使用するためのコンピュータプログラム製品として、実行することができる。このコンピュータプログラム製品は、ディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＯＭまたは固定ディスクなどの、有形のデータ記録媒体に保存された、または、コンピュータデータ信号に具体化された、例えば一連のコンピュータ命令であり、この信号は、有形の媒体または、例えば、マイクロ波または赤外線などの無線媒体を通して伝達される。この一連のコンピュータ命令は、上述の機能の全部または一部を構成することができ、半導体、磁気、光またはその他の記憶装置などの、揮発性または不揮発性のどんな記憶装置にも保存することができる。

本発明は、純粋に例として上記されたものであり、細かな修正は、本発明の範囲内で行うことができる。

明細書、そして（適切な場合には）請求の範囲および図面に開示された各特徴は、独立して、またはあらゆる適切な組み合わせで提供することができる。

Claims (41)

1. 波エネルギー変換装置に接続する流体移送管であって、動作中に、波動に応じて、該波エネルギー変換装置は、該流体移送管内の流体を加圧する、流体移送管；
   前記流体移送管から流体を受けるように配置される、タービン装置；
   前記流体の圧力および／または流量を感知する、少なくとも１つのセンサ；
   前記流体移送管から前記タービン装置への流体の流量を制御する、可変開口弁；
   前記センサによって感知された、前記流体の圧力および／または流量および／または前記タービン装置の回転速度に基づいて、前記可変開口弁の動作を制御するコントローラ； および
   前記タービン装置の動作から電力を取得する発電システム、
   を備える波力捕捉システム。
2. 前記波エネルギー変換装置と前記可変開口弁との間に位置する、ポテンシャルエネルギー保存手段をさらに備える、請求項１に記載の波力捕捉システム。
3. 前記ポテンシャルエネルギー保存手段はアキュムレータを備える、請求項２に記載の波力捕捉システム。
4. 前記タービン装置はフライホイールを備える、請求項１乃至３の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
5. 前記タービン装置は衝動タービンを備える、請求項１乃至４の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
6. 前記タービン装置はペルトン水車を備える、請求項５に記載の波力捕捉システム。
7. 前記コントローラは、各波周期中の圧力および／または流量および／または回転速度の変動に基づいて、各波周期中の前記可変開口弁の開口を変化させるように構成される、請求項１乃至６の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
8. 前記コントローラは、実圧力と目標圧力の差および／または実流量と目標流量の差に基づいて、前記可変開口弁の動作を制御するように構成される、請求項１乃至７の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
9. 前記コントローラは、各波周期中の前記実圧力と目標圧力の差および／または前記実流量と目標流量の差を監視し、その差に基づいて前記可変開口弁の動作を制御し、各波周期中の実圧力および／または実流量を変化させるように構成される、請求項８に記載の波力捕捉システム。
10. 前記コントローラは、前記実圧力と目標圧力との差、または前記実流量と目標流量との差を低減する目標時間を表す所定の時定数に基づいて、前記可変開口弁の動作を制御するように構成される、請求項８または９に記載の波力捕捉システム。
11. 前記目標圧力および／または流量は、前記システムの最大効率および／または最大電力出力を提供する圧力および／または流量とほぼ等しい、請求項８乃至１０の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
12. 前記タービン装置の回転速度を測定するセンサをさらに備え、前記コントローラは、前記測定された回転速度に基づいて、目標圧力および／または流量を決めるように構成される、請求項１乃至１１の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
13. 前記発電システムは、可変トルク発電機を備え、前記コントローラは、前記可変トルク発電機によって、前記タービン装置に与えられるトルクを制御するように構成される、請求項１乃至１２の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
14. 前記コントローラは、各波周期中の前記タービン装置のトルクおよび／または回転速度の変動に基づいて、各波周期中に、前記可変トルク発電機によって前記タービン装置に与えられるトルクを変化させるように構成される、請求項１３に記載の波力捕捉システム。
15. 前記コントローラは、（ｉ）各波周期中の圧力および／または流量および／または回転速度の変動に基づいて、各波周期中の前記可変開口弁の開口、および（ii）各波周期中の前記タービン装置のトルクおよび／または回転速度の変動に基づいて、各波周期中の前記トルク発電機によって前記タービン装置に与えられるトルクの両方を変化させるように構成される、請求項１３または１４に記載の波力捕捉システム。
16. 前記コントローラは、実トルクと目標トルクとの差および／または実速度と目標速度との差に基づいて、前記タービン装置に与えられる前記トルクを制御するように構成される、請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載の波力捕捉システム。
17. 前記コントローラは、前記実トルクと目標トルクとの差および／または前記実速度と目標速度との差に基づいて、各波周期中に前記タービン装置に与えられる前記トルクを変化させるように構成される、請求項１６に記載の波力捕捉システム。
18. 前記コントローラは、前記実トルクと目標トルクとの差または前記実速度と目標速度との差を軽減する目標時間を表すさらなる所定の時定数に基づいて、前記タービン装置に与えられる前記トルクを制御するように構成される、請求項１６または１７に記載の波力捕捉システム。
19. 前記目標圧力、目標流量、目標トルクまたは目標速度のうちの少なくとも１つは、理想動作圧力の値および／または前記理想動作速度の値に基づいて決められる、請求項８乃至１２及び１６乃至１８の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
20. 前記コントローラは、前記理想動作圧力の値および／または前記理想動作速度の値を自動的に選択するように構成される、請求項１９に記載の波力捕捉システム。
21. 前記コントローラは、前記システムから取得した前記電力出力に基づいて、前記理想動作圧力の値および／または前記理想動作速度の値を選択するように構成される、請求項１９または２０に記載の波力捕捉システム。
22. 前記コントローラは、前記理想動作圧力および／または前記理想動作速度の少なくとも２つの異なる値に従って制御される場合に、前記システムによって提供される電力出力を決め、該理想動作圧力および／または該理想動作速度の少なくとも２つの異なる値のために取得された前記電力出力を比較し、該比較に基づいて、該理想動作圧力および／または該理想動作速度の値を選択するように構成される、請求項１９乃至２１の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
23. 前記コントローラは、測定時間中に理想動作圧力および／または理想動作速度の選択値を使用して、前記測定時間中の電力出力を決め、該決めた電力出力を、少なくとも１つ前の測定時間内の理想動作圧力および／または理想動作速度の少なくとも１つの他の値を使って取得した電力出力と比較し、該比較に基づいて、次の測定時間で使用する理想動作圧力および／または理想動作速度の値を選択するように構成される、請求項１９乃至２２の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
24. 前記測定時間は波周期よりも長い、請求項２３に記載の波力捕捉システム。
25. 前記コントローラは、理想動作圧力の選択値から理想動作速度の値を計算するように、またはその逆に構成される、請求項１９乃至２４の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
26. 前記コントローラは、前記タービンの動作を表すモデルに基づいて、前記可変流量弁の動作を制御するように構成される、請求項１乃至２５の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
27. 前記コントローラは、前記タービンの動作を表すモデルに基づいて、前記可変トルク発電機によって前記タービン装置に与えられるトルクを制御するように構成される、請求項１３乃至２６の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
28. 前記モデルは、圧力もしくは流体の関数として速度もしくはトルクを表す、またはその逆である、請求項２６または２７に記載の波力捕捉システム。
29. 前記モデルは、圧力の平方根に比例するものとして速度を表す、請求項２８に記載の波力捕捉システム。
30. 前記モデルは、下記の方程式を有する、または下記の方程式で表わされる、請求項２６乃至２９の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
    

    
31. 前記コントローラは、前記システムの動作を制御して、該タービン装置によって受けられる流体の速度に対する前記タービン装置の回転速度の比率が所望の範囲になるように構成される、請求項１乃至３０の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
32. 前記コントローラは、前記システムの動作を制御して、０．４から０．６までの範囲内のＫｕ値を提供するように構成される、請求項３１に記載の波力捕捉システム。
33. 複数の流体移送管を備え、その各々は、個々の波エネルギー変換装置に接続され、動作中に、各波エネルギー変換装置が、波動に応じて前記流体移送管の内の対応する管内の流体を加圧するようにし、前記タービン装置は、前記流体移送管の各々から流体を受けるように配置される、請求項１乃至３２の何れか一項に記載の波力捕捉システム。
34. 複数の可変開口弁をさらに備え、各可変流量弁は、個々の前記流体移送管から前記タービン装置への流体の流量を制御するように配置される、請求項３３に記載の波力捕捉システム。
35. 流体移送管であって、波エネルギー変換装置に接続されて、動作中に、該流体移送管内の流体を加圧する、流体移送管；
    前記流体移送管から流体を受けるように配置される、ペルトン水車；および
    前記ペルトン水車の動作から電力を取得するための発電システム、
    を備える、波力捕捉システム用電力取り出しシステム。
36. 波動に応じて、流体移送管内で、波エネルギー変換装置によって加圧される、流体の圧力および／または流量の少なくとも１つを表す信号をセンサから受信し、制御信号を出力し、前記流体の圧力および／または流体および／または前記タービン装置の回転速度に基づいて、前記流体移送管からタービン装置への流体の流量を制御するように、可変開口弁の動作を制御するように構成されるプロセッサを備える、波力捕捉システムのコントローラ。
37. 波動に応じて、流体移送管内で、波エネルギー変換装置によって加圧される、流体の圧力および／または流量の何れかまたは両方を測定するセンサから、信号を受信するステップ；および
    前記流体の圧力および／または流体および／または前記タービン装置の回転速度に基づいて、前記流体移送管からタービン装置への流体の流量を制御するように、可変開口弁の動作を制御するステップ、
    を含む、波力捕捉システムの動作を制御する方法。
38. 各波周期中の圧力および／または流量および／または回転速度の変動に基づいて、各波周期中の前記可変開口弁の開度を変化させるように、該可変開口弁の動作を制御するステップをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
39. 請求項３７または３８に記載の方法を行うために実行可能な、コンピュータの読み取り可能な命令を備える、コンピュータプログラム製品。
40. 添付の図面を参照して、本明細書に実質的に記載されているようなシステム。
41. 添付の図面を参照して、本明細書に実質的に記載されているような方法。

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