JP2013529744A - 波浪エネルギーシステム - Google Patents
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Abstract
【選択図】図13
Description
任意で、空洞気柱の列は空洞気柱を備え、海洋環境から受けた波浪の異なる周波数に選択的に一致させるように、空洞気柱は、その内部の波動に関する相互に異なる固有振動周波数を有するように、波浪エネルギーシステムが実装されてもよい。
(a)システムの制御特性を表す数値モデルを利用する方法による水中構造体の制御調節することと;
(b)ニューラルネットワークを使用すること、ただし、その重み付けは検出された波浪の条件に応答して、システムの動作を制御するのに適している、使用することと;
のうちの少なくとも1つを実装するように、波浪エネルギーシステムが実装されてもよい。
(a)海岸線沿いに;
(b)1つ以上の浮島として;
(c)浮島半島または島弧として;
(d)陸地との間に輸送路を備える浮橋として;
(e)海底または海底基盤に固定されるように;
設置されてもよい。
(a)1つ以上の水中構造体の付近で1つ以上の波浪を受けることであって、1つ以上の水中構造体は、システムの気柱の列で受ける1つ以上の波浪を形成するために、1つ以上の波浪のエネルギー場に調節可能に影響を与えることと;
(b)1つ以上の気柱の列で前記1つ以上の波浪を受けることであって、1つ以上の気柱は、発電するタービン構成を駆動するために、気柱内部の空気を周期的に圧縮および/または希薄化することと;
を含み、水中構造体は、1つ以上の平面構造体として実装され、1つ以上の平面構造体は、気柱の列に対して1つ以上の平面構造体を動かす、および/または傾けるアクチュエータ構成を備える、方法。
(i)対応するセンサ信号を生成するために、波浪エネルギーシステムに接近する波浪の1つ以上の特性を検出することと;
(ii)対応する制御信号を生成するために、センサ信号を制御構成で処理することと;
(iii)信号をアクチュエータに適用することであって、アクチュエータは、動作中、空洞気柱の下端に向かって伝播する、検出した波浪を形成するために、システムの気柱の下端付近にある1つ以上の位置可変および/または角度可変の水中構造体に接続し、対応する出力電力を発電するために、検出した波浪を制御可能な方法で気柱に接続させることと;
を含む、方法。
(iv) 気柱の列で受ける波浪の伝播方向を検出することと;
(v) 波浪の伝播方向に対して気柱の列を回転可能に向けることと;
を含んでもよい。
複数の相互隣接する部品を備え、各部品は1つ以上の開口部を備え、
(i)部品は、第1状態(M1)と第2状態(M2)との間を移動可能であって、第1状態(M1)では、バルブ を通過する流体の流れを遮断するために、1つ以上の開口部が互いに揃っておらず、第2状態(M2)では、バルブに流体を通すために、1つ以上の開口部が互いに揃っていることと;
(ii)部品の運動は、流体バルブが部品上に付着する海洋生物を除去する自動掃除機能を備えるように動作することと;
(iii)部品間の境界面は、境界面の一方が疎水性特性であり、隣接して対応する境界面が親水性特性であることによって、水潤滑静電軸受を構成すること;
である、流体バルブ。
タービンは、それを通る流体の双方向の流れに応答して、一方向に回転して動作し、タービン構成は、複数のラジアルタービン部品を備え、ラジアルタービン部品の各々は、対応するエネルギーピックオフ構成、複数のラジアルタービン部品の間を結合する、および/または複数のラジアルタービン部品の間を結合する構成上に設置される、複数の羽根部を備え、複数のラジアルタービン部品の間の相対回転角は、タービン構成が、そこを通る流体の双方向の流れに応答して、一方向の回転の向きを維持するように構成されるために、複数の羽根部のピッチ角を制御するように動作する、タービン構成。
(a)1つ以上の空洞タンクとして、鎖および/またはケーブル留め具を有する1つ以上のアンカーを実装することと;
(b)1つ以上の空洞タンクを、それまたはアンカーが係留しなくてはならない海域に牽引することと;
(c)1つ以上のタンクを海底領域に沈めることと;
(d)1つ以上のタンクが海底領域に配置されるとき、1つ以上のタンクを海水より高密度の物質で充填することと;
(e)システムのプラットフォームに接続されるとき、鎖および/またはケーブル留め具を調節することと;
を含む、方法。
(f)上部主要面および下部主要面を備える、略平坦な平面形態となるように、1つ以上の空洞タンクを実装することと;
(g)1つ以上のタンクが海底領域に沈められるとき、海底領域上の位置を保持するために、石材を配置することと;
を含んでもよい。
(a)大型部材を備える1つ以上の衝撃式アンカーを提供することであって、大型部材は、円形または尖形先端部と、係留鎖が連結される後端部に羽根部を備えることと;
(b)1つ以上のアンカーを、それが配置される場所まで移動させる船舶を操縦容易にすることと;
(c)1つ以上のアンカーを、その円形または尖形先端部が海底領域に衝突して該海底領域に突き刺さるように、実質的に垂直下に放つことと;
(d)1つ以上のアンカーの羽根部を海底領域に設置するために、該アンカーを後方に引き寄せ、該アンカーの1つ以上の鎖を垂直でない側方の外力にさらすことと;
を含む、方法。
E = 波浪エネルギー含量;
kE = 定数ρg。ここでρは海水の塩分濃度1020 kg/m3、gは重力加速度9.8 m/s2;
H = 先出の参照図2で定義される波浪の垂直波高。
cg = 群速度。cg = gT/4πから算出される。ただし、深海でT = L/cとする;
E = 数2の式から算出される波浪エネルギー含量;
J = エネルギー流量;
ここで、数3の式は次の式(数4)の変形である:
kf = ρg2、すなわち約1 kW/m3s。
例えば、周期T = 10秒、波高2メートルの波浪40のエネルギー流量は40 kW/mという相当な大きさとなる。
Hg = 波群波高。
(i)第1の用途は、浮動式構造として実装される際、プラットフォーム210を荒波に対して安定に保つことである。平面バッフル300の少なくとも一部は、海洋環境30の海表面330に伝播する波浪40の主要なエネルギー場よりも実質的に下部にあるためである。こうして、平面バッフル300は、海洋環境30の海表面330に伝播する波浪の主要な波長に対する減衰を25%未満のレベルとする利点がある。
(ii)第2の用途は、海洋環境30の海表面330に伝播する波浪の主要なエネルギー場により低い空間レベルで作用することである。こうして、波浪のコヒーレント性を高め、砕波状態、例えば浅瀬のような海岸付近で生じる状態に向けて波高を高める。こうしたより高い波高を生じさせる高いコヒーレント性により、1つ以上の気柱220に連結する波動エネルギーを格段に向上させられる。
(a)波浪40を気柱220により良く合わせ、気柱220のバルブを介して接続するプレナム、すなわち空気溜の内部空気を圧縮する。ここで、プレナムはタービン230に接続している;
(b)システム200において波浪40を伝送または反射させる出力制御形式を提供し、それによって、システム200からの出力電力を調節する、および/またはシステム200が荒天条件(例えば台風の時)に対応できるようにする支援をする;
(c)システム200が浮体構造物として実装される場合、端部Qの海域の水は荒天時でも比較的安定しているため、悪天候条件下でもより大きな安定性を提供する。
Tn = 固有振動周期;
π = 3.14159;
d = 平均海水面(MSL)から空洞気柱の中間までの深さ;
D = 空洞気柱の内径;
g = 重力加速度。9.81 m/s2;
α = 気柱の傾斜角。90°は垂直気柱、0°は水平気柱を表す。
(i)バラストによって、および/または空洞気柱を平均海水面(MSL)に対して上下に駆動する方法で深さdに据える;
(ii)気柱の内径Dの変更;
(iii)気柱の傾斜角の調節。
(i)海底に掘削される掘削孔を確実に開けるアンカーを介する;
(ii)浮揚性で鋼鉄製および/またはコンクリート製の壁で覆われた空洞タンクを介する。ただし、空洞タンクは海水面の特定の位置に牽引され、海底に沈めるために水で充填され、その後、タンクが海底に設置されるアンカーを形成するように、タンクに砂/接着剤の流体で充填される。タンクは鎖および/またはケーブルを介してシステム200、1000、3000の浮動部分に連結され。任意で、接着剤はエポキシ樹脂または海洋コンクリーであってよい。任意で、タンクは、その主要面の少なくとも1つが海底に接するように適する、略平坦な平面形態を有してもよい。さらに、主要面はバラスト石材を配置して海底に保持されてもよい;
(iii)1つ以上の衝撃式アンカーを介する。衝撃式アンカーの各々は、円形または尖形先端部と、後端部に羽根部を備える、例えば魚雷に似た形状の大型部材を備え、係留鎖も接続されている。設置時には、各衝撃式アンカーは、それが配置される場所まで船舶で運ばれ、アンカーは、その円形または尖形先端部が海底領域に衝突して該海底領域に突き刺さるように、実質的に垂直下に放たれる。鎖は垂直でない側方の外力にさらされ、アンカーの羽根部を海底に設置するために、アンカーを後方に短い距離だけ引き摺る。こうした方法で、高いコスト効率と速さで配置できるが、海底は、アンカーが貫通して設置され得るような地質学的組成である必要がある。海底が地質学的に礫岩、氷堆石、粘土またはそれより小さい粒子の組成でアンカーが貫通できる場合、こうしたアンカーは有益である。上記(i)および(ii)の方法は、海底が花崗岩等のより固い組成である場合に有益である。
Claims (34)
- 波浪(40)から発電する波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)であって、前記システム(200)は、空洞気柱(220)の列を支持するプラットフォーム(520)を備え、前記気柱の各下端は波浪(40)と液体を介して接続し、前記気柱の各上端はタービン構成(230)と空気を介して接続しており、前記下端で発生する波動が、前記タービン構成(230)を推進して電力を出力するように、前記気柱(220)内部の空気運動を起こすように作用し、
前記空洞気柱(220)は垂直でない向きに配置され、前記空洞気柱(220)の少なくとも1つの部分は、動作中その内部に波動の固有周波数を有するように配置され、前記固有周波数は前記空洞気柱(220)の前記部分で受ける波浪(40)の周波数に実質的に一致する、
波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。 - 前記空洞気柱(220)内部の波動の固有周波数が動的に調節可能であるように、前記空洞気柱が実装される、請求項1に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。
- 前記空洞気柱(220)の列は、その長軸に沿って所定の傾斜角で配置され、前記傾斜角は前記システム(200、1000)が動作中に位置する海洋環境(30)の平均海水面に対して25°から75°の範囲内である、請求項1に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。
- 前記空洞気柱(220)の列は空洞気柱(220)を備え、海洋環境(30)から受けた波浪(40)の異なる周波数に選択的に一致させるように、前記空洞気柱(220)は、その内部の波動に関する相互に異なる固有振動周波数を有する、請求項1に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。
- 前記タービン構成(230)は少なくとも1つのタービン(230)を備え、前記少なくとも1つのタービンは、海洋環境(30)で動作する際、前記プラットフォーム(520)をジャイロ効果で安定させるために、実質的に垂直な軸の周りを回転するように動作できる、請求項1ないし4の何れか1項に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。
- 前記システム(200、1000、3000)は、前記プラットフォーム(520)上に設置される、前記システム(200、1000、3000)で受ける風から発電するための1つ以上の風力タービン(1010、1200)を備える、請求項1ないし5の何れか1項に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。
- 前記1つ以上の風力タービン(1010、1200)は、前記プラットフォーム(520)の空間的な端に少なくとも設置される、請求項6に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。
- 前記1つ以上の風力タービン(1010、1200)は前記プラットフォーム(520)の中央領域に設置され、上方の浮力を提供するバラスト構成は、前記プラットフォーム(520)の空間的な端に実装される、請求項6に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。
- 前記1つ以上の風力タービン(1010、1200)は1つ以上のダリウス型垂直軸型風力タービン(1200)を備える、請求項6、7または8に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。
- 前記システム(200、1000、3000)は1つ以上の水産養殖施設(800)をさらに備える、請求項1ないし9の何れか1項に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。
- 前記1つ以上の水産養殖施設(1200)は、動作中に前記システム(200、1000、3000)での気象条件の変化に応答して、海洋環境(30)に潜水可能であるように構成される、請求項10に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。
- 波浪(40)から発電する波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)であって、前記システム(200)は、空洞気柱(220)の列を支持するプラットフォーム(520)を備え、前記気柱の各下端は波浪(40)と液体を介して接続し、前記気柱の各上端はタービン構成(230)と空気を介して接続しており、前記下端で発生する波動が、前記タービン構成(230)を推進して電力を出力するように、前記気柱(220)内部の空気運動を起こすように作用し、
前記システム(200、1000、3000)は、前記気柱(220)の前記下端付近に1つ以上の位置調節可能かつ/または角度調節可能な水中構造体(300)をさらに備え、前記構造体は、前記波浪(40)を制御可能な方法で前記空洞気柱(220)に連結するために、動作中前記気柱(220)の前記下端に向かって伝播する波浪を形成し、前記水中構造体(300)は、1つ以上の平面構造体として実装され、前記1つ以上の平面構造体は、前記気柱(220)の列に対して前記1つ以上の平面構造体(300)を動かす、および/または傾けるアクチュエータ構成(500)を備える、
波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。 - 前記空洞気柱(220)は垂直でない向きに配置され、前記空洞気柱(220)の少なくとも一部分は、動作中その内部に波動の固有周波数を有するように配置され、前記固有周波数は前記空洞気柱(220)の前記部分で受ける波浪(40)の周波数に実質的に一致する、請求項12に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。
- 前記システム(200、1000、3000)は、検出構成(700)および制御構成を備え、
前記検出構成(700)は、動作中、前記気柱(220)およびに前記関連する水中構造体(300)向かって伝播する波浪(40)の特性の1つ以上を検出し、
前記制御構成は、前記検出構成(700)からの波浪特性の標示信号を受信し、前記水中構造体(300)が動的な応答制御を行うように前記水中構造体(300)の位置および/または角度を調節する、
請求項12または13に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。 - 前記制御構成はコンピュータハードウェアで実装され、前記コンピュータハードウェアは:
(a)システム(200)の制御特性を表す数値モデルを利用する方法による前記水中構造体(300)の制御調節することと;
(b)ニューラルネットワークを使用すること、ただし、その重み付けは検出された波浪(40)の条件に応答して、システム(200)の動作を制御するのに適している、前記使用することと;
のうちの少なくとも1つを実装する、請求項14に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。 - 前記空洞気柱(220)の列は、その長軸に沿って所定の傾斜角で配置され、前記傾斜角は前記システム(200)が動作中に位置する海洋環境(30)の平均海水面に対して10°から35°の範囲内である、請求項12ないし15の何れか1項に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。
- 前記タービン構成(230)は少なくとも1つのタービン(230)を備え、前記少なくとも1つのタービンは、海洋環境(30)で動作する際、前記プラットフォーム(520)をジャイロ効果で安定させるために、実質的に垂直な軸の周りを回転するように動作できる、請求項12ないし16の何れか1項に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。
- 前記プラットフォーム(520)は、動作中、システム(200、1000、3000)で受ける波浪(40)に対して前記空洞気柱(220)の列が向くよう回転可能に構成される、請求項12ないし17の何れか1項に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。
- 前記システム(200、1000、3000)は、センサ構成(510)およびアクチュエータ構成を備え、
前記センサ構成(510)は前記気柱(220)の列で受ける前記波浪(40)の卓越伝播波向を検出し、
前記アクチュエータ構成は前記波浪(40)の前記卓越伝播波向に対して前記気柱(220)の列の角度配向を調節する、請求項17に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。 - 前記システム(200)は:
(a)海岸線沿いに;
(b)1つ以上の浮島として;
(c)浮島半島または島弧として;
(d)陸地との間に輸送路を備える浮橋として;
(e)海底基盤に固定されるように;
設置される、請求項12ないし19の何れか1項に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。 - 前記システム(200、1000、3000)は水産養殖施設を備え、前記水産養殖施設は、該施設に被害を与える可能性のある悪天候条件に実質的にある前記システム(200、1000、3000)を保護するために、潜水可能であるように構成される、請求項12ないし20の何れか1項に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)。
- 請求項1ないし21の何れかに記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)を動作させる方法であって:
(a)1つ以上の水中構造体(300)の付近で1つ以上の波浪を受けることであって、前記1つ以上の水中構造体は、前記システム(200、1000、3000)の気柱(220)の列で受ける1つ以上の波浪(40)を形成するために、前記1つ以上の波浪(40)のエネルギー場に調節可能に影響を与える、前記波浪を受けることと;
(b)前記1つ以上の気柱(220)の列で前記1つ以上の波浪(40)を受けることであって、前記1つ以上の気柱は、発電するタービン構成(230)を駆動するために、前記気柱(220)の内部の空気を周期的に圧縮および/または希薄化する、前記波浪を受けることと;
を含み、前記水中構造体(300)は、1つ以上の平面構造体として実装され、前記1つ以上の平面構造体は、前記気柱(220)の列に対して前記1つ以上の平面構造体(300)を動かす、および/または傾けるアクチュエータ構成(500)を備える、方法。 - 請求項12ないし21の何れか1項に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)を制御する方法であって:
(i)対応するセンサ信号を生成するために、前記波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)に接近する波浪(40)の1つ以上の特性を検出することと;
(ii)対応する制御信号を生成するために、前記センサ信号を制御構成(510)で処理することと;
(iii)前記信号をアクチュエータ(500)に適用することであって、前記アクチュエータ(500)は、動作中、前記空洞気柱(220)の下端に向かって伝播する前記検出した波浪(40)を形成するために、前記システム(200、1000、3000)の前記気柱(220)の下端付近にある1つ以上の位置可変および/または角度可変の水中構造体(300)に接続し、対応する出力電力を発電するために、前記検出した波浪(40)を制御可能な方法で前記気柱(220)に接続させる、前記適用することと;
を含む、方法。 - 前記制御構成(510)は、前記センサ信号から前記制御信号を生成するために、数値モデルおよび/またはニューラルネットワークを適用して動作できる、請求項23に記載の、波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)を制御する方法。
- (iv) 前記気柱(220)の列で受ける波浪(40)の伝播方向を検出することと;
(v) 前記波浪(40)の前記伝播方向に対して前記気柱(220)の列を回転可能に向けることと;
を含む、請求項23に記載の、波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)を制御する方法。 - 機械可読データ担体に記録されたソフトウェアであって、請求項22ないし25の何れか1項に記載の方法を実装するコンピュータハードウェアで実行可能である、ソフトウェア。
- 請求項1ないし21の何れか1項に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)の1つ以上の気柱(220)と共に使用する流体バルブ(2000、2500)であって、前記流体バルブ(2000、2500)は複数の相互隣接する部品(2010、2020;2510、2520)を備え、各部品は1つ以上の開口部(2050、2070;2550、2570)を備え、
(i)前記部品(2010、2020;2510、2520)は、第1状態(M1)と第2状態(M2)との間を移動可能であって、前記第1状態(M1)では、前記バルブ (2000、2500)を通過する流体の流れを遮断するために、前記1つ以上の開口部(2050、2070;2550、2570)が互いに揃っておらず、前記第2状態(M2)では、前記バルブ(2000、2500)に流体を通すために、前記1つ以上の開口部(2050、2070;2550、2570)が互いに揃っていることと;
(ii)前記部品(2010、2020;2510、2520)の運動は、流体バルブ(2000、2500)が前記部品(2010、2020;2510、2520)上に付着する海洋生物を除去する自動掃除機能を備えるように動作することと;
(iii)前記部品(2010、2020;2510、2520)間の境界面は、前記境界面の一方が疎水性特性であり、隣接して対応する境界面が親水性特性であることによって、水潤滑静電軸受を構成すること;
である、流体バルブ(2000、2500) - 請求項1に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)の1つ以上の気柱(220)と共に使用するタービン構成(4200)であって、前記タービン(4200)は、それを通る流体の双方向の流れに応答して、一方向に回転して動作し、前記タービン構成(4200)は、複数のラジアルタービン部品(4600A、4600B)を備え、前記ラジアルタービン部品の各々は、対応するエネルギーピックオフ構成(4610、4620)、前記複数のラジアルタービン部品(4600A、4600B)の間を結合する、および/または前記複数のラジアルタービン部品(4600A、4600B)の間を結合する構成上に設置される、複数の羽根部(4630)を備え、前記複数のラジアルタービン部品(4600A、4600B)の間の相対回転角は、前記タービン構成(4200)が、そこを通る流体の双方向の流れに応答して、一方向の回転の向きを維持するように構成されるために、前記複数の羽根部(4630)のピッチ角を制御するように動作する、タービン構成(4200)。
- 前記タービン構成(4200)は電子制御構成を備え、前記電子制御構成は、前記複数の羽根部(4630)のピッチ角を調節するために、前記複数のラジアルタービン部品(4600A、4600B)に抗力またはトルクを選択的に与える、請求項28に記載のタービン構成(4200)。
- 前記複数の羽根部(4630)のピッチ角が動作中に調節された後、前記複数のラジアルタービン部品(4600A、4600B)を共に角度をロックするロック構成をさらに備える、請求項28または29に記載のタービン構成(4200)。
- 請求項1に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)を係留する方法であって:
(a)1つ以上の空洞タンクとして、鎖および/またはケーブル留め具を有する1つ以上のアンカーを実装することと;
(b)前記1つ以上の空洞タンクを、それまたはアンカーが係留しなくてはならない海域に牽引することと;
(c)前記1つ以上のタンクを海底領域に沈めることと;
(d)前記1つ以上のタンクが前記海底領域に配置されるとき、前記1つ以上のタンクを海水より高密度の物質で充填することと;
(e)前記システム(200、1000、3000)のプラットフォーム(520)に接続されるとき、前記鎖および/またはケーブル留め具を調節することと;
を含む、方法。 - (f)上部主要面および下部主要面を備える、略平坦な平面形態となるように、前記1つ以上の空洞タンクを実装することと;
(g)前記1つ以上のタンクが前記海底領域に沈められるとき、前記海底領域上の位置を保持するために、石材を配置することと;
を含む、請求項31に記載の方法。 - 前記ステップ(d)において、前記1つ以上のタンクに固定単一内部構造を形成するために、前記1つ以上のタンクを砂と結合剤の混合物で充填することを含む、請求項31または32に記載の方法。
- 請求項1に記載の波浪エネルギーシステム(200、1000、3000)を係留するアンカーを設置する方法であって:
(a)大型部材を備える1つ以上の衝撃式アンカーを提供することであって、前記大型部材は、円形または尖形先端部と、係留鎖が連結される後端部に羽根部を備える、前記提供することと;
(b)前記1つ以上のアンカーを、それが配置される場所まで移動させる船舶を操縦容易にすることと;
(c)前記1つ以上のアンカーを、その円形または尖形先端部が海底領域に衝突して該海底領域に突き刺さるように、実質的に垂直下に放つことと;
(d)前記1つ以上のアンカーの前記羽根部を前記海底領域に設置するために、該アンカーを後方に引き寄せ、該アンカーの前記1つ以上の鎖を垂直でない側方の外力にさらすことと;
を含む、方法。
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