JP2013502530A - 波力発電システム - Google Patents

Abstract

水面に浮遊し，波の作用によって左右に揺動するプラットフォームと，発電機と，水面上に延長し，第１のピボットシャフトによりプラットフォームに枢動可能に取り付けられた第１の端部を有する剛性アームと，剛性アームに動作可能に取り付けられた第２のピボットシャフトにより，アームの第２の端部に枢動可能に連結され，且つ，水面上に配置され，水面に浮遊した際に，波と共に上昇及び下降することによって，第１のピボットシャフト周囲で，アームを時計回り方向及び反時計回り方向に交互に移動させる浮力部材と，アームの移動を，発電機を駆動するための出力に変換する電力変換装置とを備える波力発電システムを提供する。

Description

発明の詳細な説明

関連出願
本願は，参照により本明細書に併合される２００９年８月１９日に出願された仮出願第６１／２７２，１２５号の優先権を主張する非仮出願である。

技術分野
本発明は，広くは波力発電システムに関し，詳細には浮遊プラットフォームの揺動運動を利用する波力発電システムに関する。

発明の概要
本発明は，
水面に浮遊し，波の作用によって左右に揺動するプラットフォームと，
発電機と，
水面上に延長し，第１のピボットシャフトにより前記プラットフォームに枢動可能に取り付けられた第１の端部を有する剛性アームと，
前記アームに動作可能に取り付けられた第２のピボットシャフトにより，前記アームの第２の端部に枢動可能に連結され，且つ，水面上に配置され，水面に浮遊した際に，波と共に上昇及び下降することによって，前記第１のピボットシャフト周囲で，前記アームを時計回り方向及び反時計回り方向に交互に移動させる浮力部材と，
前記アームの移動を，前記発電機を駆動するための出力に変換する電力変換装置と
を備える波力発電システムを提供する。

平らな水面上に配置された状態の波力発電機，アーム及び浮力部材の側面図。 波の作用によって，左に傾動するプラットフォームと，右に傾動する右側浮力部材と，右に傾動する左側浮力部材と，下方又は時計回り方向に移動する右側アームと，上方又は時計回り方向に移動する左側アームとを示す図１の側面図。 波の作用によって，左に傾動するプラットフォームと，左に傾動する右側浮力部材と，左に傾動する左側浮力部材と，上方又は反時計回り方向に移動する右側アームと，下方又は反時計回り方向に移動する左側アームとを示す図１の側面図。 液圧アーム及び浮力部材が，プラットフォームの側部に対して回転可能であり，それにより，浮力部材がプラットフォームの端部の近くに，或いは，プラットフォームの端部から離間して配置されることを示す，プラットフォームの概略平面図。 アームの上下運動を利用するためにアームに連結された液圧ピストンの側面図。 プラットフォームに対する浮力部材の距離を調整するために使用する液圧シリンダ及びピストンアセンブリと，浮力部材の揺動運動のエネルギーを利用するために浮力部材上に配置された別のシリンダ及びピストンアセンブリを示すプラットフォームの部分側面図。 アームに連結された浮力部材を引っ張る力を補助するために浮力部材の下方に配置された牽引部材を示す本発明の他の実施形態の概略側面図。 シリンダ及びピストンアセンブリと液圧モータとの連結を示す電力変換装置の概略フロー図。 アームの枢動運動を一方向の回転に変換するギアアセンブリを使用する他の電力変換装置の概略図。 図５及び図６に示すシリンダ及びピストンアセンブリの電力出力を利用する他の電力変換装置の概略図。 図５及び図６に示すシリンダ及びピストンアセンブリの電力出力を利用する他の電力変換装置の概略図。 側部に幾つかのアームを有する円形又は環状のプラットフォームを示す本発明の他の実施形態を示す。 複数のシリンダ及びピストンアセンブリを有するプラットフォームのアームに取り付けられた円形又は環状の浮力部材を示す。 複数のシリンダ及びピストンアセンブリを有するプラットフォームのアームに取り付けられた，円形又は環状の浮力部材を示す図。

発明の詳細な説明
図１〜図３を参照し，波力発電システムを開示する。艀やボート等の浮遊プラットフォーム２は，波の作用を受けるとアーム６に対して押し引きする力を付与するように構成された，加重された浮力部材４を備えている。浮力部材４は剛性アーム６に枢動可能に取り付けられ，アーム６は，ピボットシャフト９でプラットフォーム２に連結されて旋回される。ピボットシャフト９は，好ましくは，アーム６の移動がピボットシャフト９の往復回転運動に伝達されるように，アーム６に堅固に取り付けられている。ピボットシャフト９は電力変換装置に動作可能に連結されており，前記電力変換装置は，前記ピボットシャフト９の振動回転運動を連続的な回転に変換し，発電機８のシャフトを駆動するためのギアアセンブリを備える。ピボットシャフト９の運動を変換するための機構の一例が，参照により本明細書に併合される同時係属出願第１２／４５７，５２０号に開示されている。

アーム６上のピボットジョイント１２は，アーム６を伸縮可能とし，それにより浮力部材４のプラットフォームからの距離を変化させて，近づけたり遠ざけたりすることができる。ピボットジョイント１２は，適当な距離に調整された後に固定される。アーム６の調整は，波の波長によって決定する。一般的に，浮力部材４とプラットフォーム２との間の距離は，図２に示す一位置と図３に示す他の位置との間等で，ピボットシャフト９周囲でアーム６に大きな広範囲の孤状を描かせる波の波長の約１／２である。浮力部材４はピボットシャフト１５に連結され，その回転運動も発電機８を駆動するために利用し，作動させることができる。一又は複数のアーム６及び浮力部材４を，一又は複数の発電機８に取り付けることができる。図示の浮力部材４は，平面視で正方形状であるが，当該部材が浮遊し，波の上下運動に追従できれば，いかなる形状でもよい。

アーム６が下方へ引っ張られると（波の動きによって，浮遊プラットフォーム２の端部が上方へ移動，及び／又は，浮力部材４が下方へ移動すると），ピボットシャフト９の枢動運動を利用して液圧モータが駆動され，それにより発電機８が駆動する。前記枢動運動によって，変速機も駆動することができ，それにより，発電機が駆動される。アーム６が上方へ押し上げられると（波の動きによって，浮遊プラットフォームの端部が下方へ移動，及び／又は浮力部材が上方へ移動すると），同様に，ピボットシャフト９の枢動運動によって，発電機８に連結された液圧モータ又は変速機が駆動する。

図２及び図３を参照すると，動作中，波１０が，アーム６上の左側の浮力部材４を押し上げてピボットシャフト９周囲でアーム６を旋回させ，それにより，破線７で概略的に示す，発電機８に連結された液圧モータ又は変速機が駆動する。波１０が通過すると，プラットフォームは，図３に示すように紙面右方へと傾動し，左側のアーム６を下方へ移動させる。それにより，再び，ピボットシャフト９で枢動運動が生じ，液圧モータ又は変速装置が駆動され，それにより，発電機８が駆動される。

図４を参照すると，予測される波の波長が短い場合には，アーム６を，プラットフォーム２との連結点において垂直軸７（紙面に対して垂直）周囲で回転させて，破線で示すように浮力部材４をプラットフォーム２に接近させてもよい。これは，プラットフォーム２の揺動運動及びピボットシャフト９の回転を増大させるためである。

図５を参照すると，アーム６には液圧シリンダ及びピストンアセンブリ１８が取り付けられ，アーム６がピボットシャフト９周囲で旋回する際の孤状運動を利用できる。本実施形態では，好ましくは，ピボットシャフト９が固定され，アーム６が前記ピボットシャフト９周囲で回転可能となっている。シリンダ及びピストンアセンブリ１８は，液圧モータ２０を駆動して，発電機８を駆動する。

図６を参照すると，浮力部材４をプラットフォーム２に近づけたり遠ざけたりするアーム６の調整は，シリンダ及びピストン２０によって達成することができる。この調整は，長波長又は短波長の波を活用するためになされるものである。図２及び図３に示すように，浮力部材４のピボットシャフト１５周囲の枢動運動を利用するため，シリンダ及びピストンアセンブリ２２が，アーム６及び浮力部材４に取り付けられている。シリンダ及びピストンアセンブリ２２の出力は液圧モータに移送され，発電機８が駆動される。

図７を参照すると，牽引部材２４が，ケーブル２６を介して浮力部材４に取り付けられている。牽引部材２４は，アーム６に引張力をかけて，ピボットシャフト９において発生するトルク量を増大させる。また，牽引部材２４は，浮力部材４が水面に接触した状態を維持し，それにより，浮力部材４を波と共に浮き沈みさせるとともに，浮力部材４が水面から離れて宙吊りになることを防止する。牽引部材２４の一例が，本発明者の同時係属出願第１２／４５７，５２０号に開示されている。また，他の種類の牽引部材を使用してもよい。

図８を参照すると，シリンダ及びピストンアセンブリ１８によって生成された電力出力は，電力変換装置としての例えば液圧回路２８により利用されてもよい。液圧モータ２０は，図２及び図３に示すアーム６及び／又は浮力部材４の枢動運動によって，シリンダ３６内のピストン３４が左右に移動する際に，加圧回路３０及び３２によって駆動される。戻り回路３８，４０によって，流体はシリンダ３６へ再循環される。回路３０，３２，３８，及び４０において矢印で示すように，流体を確実に一方向のみに流すために，適切なバルブ４３，４５，４７，及び４９が設けられている。ピストン３４が紙面左方に移動すると，バルブ４３及び４９は開弁し，バルブ４５及び４７は閉弁する。一方，ピストン３４が紙面右方に移動すると，バルブ４５及び４７は開弁し，バルブ４３及び４９は閉弁する。発電機８は，モータの出力シャフト４２によって駆動される。前記液圧回路２８も，シリンダ及びピストンアセンブリ２２からのエネルギーを利用することができる。

図９を参照すると，ピボットシャフト９の枢動運動を利用する電力変換装置としてのギアアセンブリ４６が例示的に開示されている。ギア４８が，ピボットシャフト９に動作可能に連結されたシャフト５０に取り付けられている。ギア４８は，シャフト５０と共に時計回り方向に回転するが，ピボットシャフト９が反時計回り方向に回転するのに伴い，シャフト５０がギア５２と共に同じ反時計回り方向に回転すると，係合が解除される。ギア５２の運動は，ギア５６を駆動するギア５４へ伝達され，更にギア４８と噛合するギア５８を駆動する。出力シャフト６０によって，発電機８が駆動される。シャフト５０は，ギア４８が一方向，例えば，時計回り方向にのみ回転するように，ギア４８又はギア５２に対して係合，又は，係合が解除される。機械的又は電気的なクラッチが，ギア５２，４８に設けられ，ギア４８の一方向の回転を可能にしている。したがって，シャフト５０がピボットシャフト９によって時計回り方向に駆動されると，ギア５２がシャフト５０から分離し，シャフト５０がピボットシャフト９によって反時計回り方向に駆動されると，ギア４８がシャフト５０から分離する。このようにして，一方向のトルクが発電機８へ常時出力される。ピボットシャフト１５の枢動運動を利用するために，同様の構成を使用してもよい。

図１０を参照すると，シリンダ及びピストンアセンブリ１８によって生成された電力出力を利用するための他の電力変換装置６４が開示されている。シリンダ及びピストンアセンブリ１８は，クランクホイール６８に連結された他のシリンダ及びピストンアセンブリ６６を駆動するように構成されている。ピストン３４が紙面右方に移動すると，シリンダ３６内の流体がバルブ６７を介して加圧回路３２内へ送り込まれ，シリンダ及びピストンアセンブリ６６のピストン７０を紙面右方に駆動する。この時，戻り回路７２は，通常，バルブ７３によって閉じられている。ピストン７０は，ピストンロッド７４を紙面右方へ駆動する。連結ロッド７６が，ピストンロッド７４に軸（７８）承され，且つ，クランクホイール６８に枢動可能に軸（８０）承されており，クランクホイール６８を一方向８２に回転駆動する。戻り回路８４は通常，このサイクル中，バルブ８５により開放されており，ピストン７０前方の流体をシリンダ３６へ移動させる。

ピストン３４が紙面左方へ移動すると，ピストン３４の左側のシリンダ３６内の流体が加圧されて，バルブ８３を介して加圧回路３０に流出し，ピストン７０を紙面左方へ駆動する。バルブ６７は閉弁される。この時，戻り回路８４のバルブ８５は通常閉じられるのに対し，戻り回路７２のバルブ７３は開弁されて，ピストン７０の左側の流体がシリンダ３６に戻るのを許容する。回路３０，３２，７２，及び８４には適切なバルブ６７，８３，７３，及び８５が設けられており，（１）回路３２を開放してピストン７０を紙面右方に駆動する場合には，回路８４を開放するとともに，回路３０，７２を閉じ；（２）回路３０を開放してピストン７０を左に駆動する場合には，回路７２も開放するとともに，回路３２，８４を閉じるように動作する。これらのバルブは，ソレノイド式バルブのように電気的に操作され，上記のように動作するようコントローラによって制御されることが好ましい。

また，電力変換装置６４は，シリンダ及びピストンアセンブリ２２によって生成される電力を利用するために使用してもよい。

図１１を参照すると，シリンダ及びピストンアセンブリ１８及び２２によって生成される電力を利用するための他の電力変換装置８６が開示されている。シリンダ及びピストンアセンブリ１８は，ピストン３４が波の作用により往復動する際に，空気を圧縮するために使用される。シリンダ３６の各端部には，矢印で示す方向９２にのみ空気が流れるように，適切なバルブ９１，９３を有する吸気口８８，９０が設けられている。加圧回路９４，９６は，圧縮空気タンク９８へと空気を送給し，次に，前記圧縮空気タンクからタービン１００へ空気を送給して発電機８を駆動する。バルブ１０１及び１０３が，回路９４及び９６にそれぞれ設けられている。ピストン３４が左へ移動すると，バルブ１０１及び９１が開弁され，バルブ１０３及び９３が閉弁される。一方，ピストン３４が紙面右方へ移動すると，バルブ１０３及び９３が開弁され，バルブ９１及び１０１が閉弁される。排気口１０２により，圧縮空気が，タービンを介して膨張した後，放出されることが可能となる。

ピストン３４が波の作用に応じて紙面右方へ移動すると，空気が圧縮され，回路９６を通過してタンク９８へ流入し，空気が吸気口９０から流入する。この時，吸気口８８は，一方向弁により閉じられている。ピストン３４が左へ移動すると，吸気口９２が一方向弁により閉じられ，空気が圧縮され，回路９４を通ってタンク９８へと流入する。吸気口８８が開放されて大気が流入する。タンク９８からの圧縮空気が，タービン１００内へ放出され，発電機８を駆動する。

ピストン７０の運動によって，クランクホイール６８が同一方向８２に駆動され続ける。クランクホイール６８は，発電機８を駆動するために使用される。

図１２を参照すると，ここでは平面視で環状又は円形として示されている各浮力部材４に連結された多数のアーム６が，同様に平面視で環状又は円形として示されているプラットフォーム２に取り付けられている構成が示されている。アーム６は，プラットフォーム２から様々な距離で設けられており，これにより，浮力部材４は，異なる大きさの顕著な波を活用することができる。アーム６の調整は，図６に示すシリンダ及びピストンアセンブリ２０によって行う。

図１３及び図１４を参照すると，アーム６は，複数のシリンダ及びピストンアセンブリ２２により浮力部材４に連結され得る。各シリンダ及びピストンアセンブリ２２は，アーム６の端部６３に玉継手１０４で連結されており，且つ，浮力部材４に別の玉継手１０６で連結されている。シリンダ及びピストンアセンブリ２２は，アーム６に対して対称的に，且つ，互いに約１２０°離間されて配置されることが好ましい。図１４に示す実施形態では，アーム６の端部６３は，浮力部材４に玉継手１０８で取り付けられている。玉継手を用いた連結によって，浮力部材４は，波に応じてあらゆる方向に自由に揺動及び旋回することが可能となる。

浮遊プラットフォーム２は，波によってもたらされる自然の揺動運動を最大限に活かすよう設計されており，それにより，任意のいかなる波の条件下においても最大流量が得られるようになっている。プラットフォーム２の底面は，円形であっても，平坦であっても，角度がついた形状であってもよい。プラットフォーム２は，付加慣性のためにサイズ及び重さが最大となるように構成されていてもよく，また，一般的な波の条件によっては，慣性を最小に抑えるため最小化されてもよい。重く大型のプラットフォーム２は，波がより大きい場合に，比較的大きな浮力部材に対して大きな圧力を加えることができ，一方，より軽量でより浮力の大きなプラットフォームは，波がより小さい場合に最適である。

プラットフォーム２の端部が揺動すればするほど，より多くの電力が発電機８によって発電される。よって，プラットフォーム２は，その自然な不安定さを最大限に生かすよう設計されている。プラットフォーム２の相対的な安定性は，液圧モータ又は変速機にかけることが可能なトルクパワーの量によって調整することが可能である。電気出力は，波／うねりの大きさ，牽引の距離，単位時間当たりの押し引きの頻度，液圧モータ又は変速機にかけるトルク／押圧力／引張力の量（浮遊質量や浮力によってある程度決まる）によって決まる。

本明細書に開示したシステムは，工業規模での使用における膨大な量の電気の生成を可能とするだけではなく，養魚業やその他の外洋事業分野における使用に関して商業的関心のある準備地域を支援することも可能である。

本発明では，維持又は交換する必要があり得るその構成要素の大部分を，アクセスを容易にするために，水面よりも上方，且つ，浮遊プラットフォーム上に配置している。つまり，従来の波力発電機の多くが，主要な構成要素を水中に配置した設計となっているのに対し，本発明では，発電機などの主要な構成要素を水面よりも上方に配置している。

本発明は，外洋や大しけでプラットフォームが受ける動的な揺動運動を利用する。１つの浮遊装置に上記装置を多数組み込んだ場合，プラットフォームの各側面／領域に付与されるエネルギーを効果的に収集することができ，実際，（プラットフォーム全体としての）傾斜運動もまたエネルギーの抽出に有用なものとすることが可能である。例えば，正方形状の浮遊艀があり，前記艀の一つの角部に波が衝突した場合には，その波が艀の残りの部分を通過する前に，且つ，各ステーションが上下動し，１以上の発電機又は中央発電機に連結された液圧機／変速機を押す／引く／クランクで回転させる際に，当該角部自体が，上記方法によって発電する。

本発明を，好適な設計を有するものとして説明してきたが，本発明の属する技術分野における公知の，又は，慣例的な手法内に含まれ，且つ，上記の本質的な特徴に適用し得るとともに，本発明の範囲又は添付の特許請求の範囲の限定の範囲内に含まれ得るような本開示からの逸脱を含むとともに，本発明の原理に概ね従う，更なる修正，使用及び／又は改変が可能であることを理解されたい。

Claims (10)

1. ａ）水面に浮遊し，波の作用によって左右に揺動するプラットフォームと，
   ｂ）発電機と，
   ｃ）水面上に延長し，第１のピボットシャフトにより前記プラットフォームに枢動可能に取り付けられた第１の端部を有する剛性アームと，
   ｄ）前記アームに動作可能に取り付けられた第２のピボットシャフトにより，前記アームの第２の端部に枢動可能に連結され，且つ，水面上に配置され，水面に浮遊した際に，波と共に上昇及び下降することによって，前記第１のピボットシャフト周囲で，前記アームを時計回り方向及び反時計回り方向に交互に移動させる浮力部材と，
   ｅ）前記アームの移動を，前記発電機を駆動するための出力に変換する電力変換装置と
   を備える波力発電システム。
2. 前記プラットフォームは，平面視において円形である請求項１記載の波力発電システム。
3. 前記アームは，伸縮可能である請求項１記載の波力発電システム。
4. 前記アームは，垂直軸周囲で回転可能である請求項１記載の波力発電システム。
5. 前記浮力部材に取り付けられた牽引部材を更に備える請求項１記載の波力発電システム。
6. ａ）前記第１のピボットシャフトは，前記アームに堅固に取り付けられ，
   ｂ）前記電力変換装置は，前記第１のピボットシャフト及び前記発電機に動作可能に連結された複数のギアを備える請求項１記載の波力発電システム。
7. ａ）前記電力変換装置は，前記アームに動作可能に取り付けられたシリンダ及びピストンアセンブリを備え，
   ｂ）前記ピストンは，前記アームの移動に応じて前記シリンダ内を往復動して，加圧流体の出力を生成し，
   ｃ）液圧モータが，前記出力に動作可能に接続されて，前記発電機を駆動する請求項１記載の波力発電システム。
8. ａ）前記電力変換装置は，前記アームに動作可能に取り付けられたシリンダ及びピストンアセンブリを備え，
   ｂ）前記ピストンは，前記アームの移動に応じて前記シリンダ内を往復動して，加圧空気の出力を生成し，
   ｃ）圧力室が，前記シリンダ及びピストンアセンブリに動作可能に連結され，
   ｄ）タービンが，前記圧力室に動作可能に連結されて，前記発電機を駆動する請求項１記載の波力発電システム。
9. ａ）前記電力変換装置は，前記アームに動作可能に取り付けられた，第１のシリンダ及び第１のピストンアセンブリを備え，
   ｂ）前記第１のピストンは，前記アームの移動に応じて前記第１のシリンダ内を往復動して，加圧流体の出力を生成し，
   ｃ）第２のシリンダ及び第２のピストンアセンブリが，前記出力に動作可能に接続されて，前記第２のピストンの往復動が生じ，
   ｄ）クランクホイールが，前記往復動によって前記クランクホイールが回動するように，前記第２のピストンに動作可能に連結され，
   ｅ）前記クランクホイールは，前記発電機に動作可能に連結されて，前記発電機を駆動する請求項１記載の波力発電システム。
10. ａ）前記電力変換装置は，前記アーム及び前記浮力部材に動作可能に取り付けられた，シリンダ及びピストンアセンブリを備え，
    ｂ）前記ピストンは，前記浮力部材が前記第２のピボットシャフト周囲を移動するのに応じて，前記シリンダ内を往復動して，加圧流体の出力を生成し，
    ｃ）液圧モータが，前記出力に動作可能に接続されて，前記発電機を駆動する請求項１記載の波力発電システム。

Images