JP2015500412A - 海波からの機械的エネルギを電気エネルギへ変換するための装置 - Google Patents

Abstract

１つの浮遊体（１０１）と、一端が海底（１０８）に係留され、他端がフレキシブルケーブル（１０６），（１０７）を介して前記浮遊体（１０１）に係留されていることが好ましい２つの剛体ロッド（１０２），（１０３）と、前記ロッド（１０２），（１０３）の自由端それぞれが、常に海底（１０８）に向かって引っ張られた状態を維持する２つの錘（１０４），（１０５）と、各ヒンジ（１１０），（１１１）に近接したロッド（１０２），（１０３）の底部分に配置され、エネルギ変換および／またはエネルギ伝送に適した発電機（１０９）または他の類似した装置と、を少なくとも備え、波の高さ（１１２）に追従して振動する浮遊体（１０１）の動きにより、力が誘起され、その力の垂直成分により各ヒンジ（１１０），（１１１）を基点として旋回するロッド（１０２），（１０３）の旋回および振動する動きが生成され、それにより、同発電機（１０９）のギアの動きにより電気エネルギを生成し、同浮遊体（１０１）が垂直線Ａ−Ａ’上に常時位置するように、前記浮遊体（１０１）の振動による前記力の水平成分は、平衡錘システムにより釣合いがとられていることを特徴とする、海波からの機械的エネルギを電気エネルギに変換するための装置（１００）。【選択図】図２

Description

本発明は、海波からの機械的エネルギを電気エネルギへ変換するための装置であって、海波の高さに追従し、海底に係留された剛体ロッドにその動きを伝達する浮遊体を備える装置に関する。基準ヒンジに対する剛体ロッドの旋回および振動する動きにより、発電機のギア（歯車）が動かされ、または、例えば海岸のような所定距離だけ離れた場所に配置された発電機のギアを動かしたりすることのできる水圧回路内で流体に圧力が加えられ押し出される。同装置は、水圧回路を用いて、海の熱エネルギを所定距離伝送するために用いられる熱交換器を備えてもよい。ここで、水圧回路内の流体は、まず、海から熱を取得し、次に、例えば海岸に配置された、外部のユーザに熱を放出する距離で押し出される。

従来、海波の動きからのエネルギーを用いて発電機を作動させるソリューションがいくつか知られている。

米国特許ＵＳ４２０８８７７（Evansら）では、海底に固定された２つの要素に、ケーブルを介して接続されている浸水したシリンダが記載されている。波動によりシリンダが動くことにより、発電機に接続されたケーブルが振動する。これらの発電機は、海底における投錨地点、またはシリンダとの接続点に配置することができる。従って、この装置は、海底に係留された浮遊要素を備え、浮遊体の振動により作動する発電機を有する。しかしながら、同装置は、剛体ロッドおよび平衡錘（counterweight）のシステムを備えていないので、エネルギ変換効率が非常に低い。また、同装置は、機械的エネルギから電機エネルギへの変換を最適化することができる力構成を生じさせない。

米国特許ＵＳ６７５６６９５（Hibbsら）は、海面よりわずかに下に維持され、同じ海底の少なくとも２地点に接続ケーブルを介して係留されている浮遊構造体に関する。水平面上における構造体の動きにより、同浸水した浮遊構造体の近くに配置された、発電機のロータまたはギアが動かされる。

この場合も、装置は、海底に固定された浮遊体要素を備えている。しかしながら、エネルギ変換に適した振動は、ちょうど水平面上の振動であり、発電機が浮遊体上に直接配置されていることを考慮すると、エネルギ変換効率が非常に低くなると同時に、悪天候条件に曝される。

米国特許ＵＳ７８４５８８０（Rasmussen）は、海面上にある浮遊体、バラストに固定された中間要素および同一の垂直線上に中間要素を繋ぎ止める２つの係留物から構成される別の構造に関する。波の動きにより、深いところで浮遊体に接続された中間要素が持ち上げられるのに資するように、浮遊体は垂直方向へ駆動される。同中間要素上に置かれたギアは、平衡錘によって動きがバランスしつつ、旋回軸に関する回転運動により振動する傾向にあり、この動きにより、同中間要素に設置された発電機が発電する。更にこの場合、装置は、海底に係留された浮遊体と、浮遊体の振動により作動する発電機と、を備える。しかしながら、同装置は、剛体ロッドを有しておらず、機械的エネルギの電気エネルギへの変換を最適化することができる力構成を規定していないので、エネルギ変換効率が非常に低い。

そこで、本発明の主な目的は、海波からの機械的エネルギを電気エネルギへ変換するための装置を提供することである。

別の目標は、同装置が、平衡点を参照して水平方向および垂直方向の振動により、発電機を作動させることを可能にするように、安定した平衡点を提供しなければならないことである。

別の目的は、同装置が、浅瀬に、またはその代わりに深海に設置されうることである。

別の目的は、同装置が、装置に関係する海面に比例した、または、設置されたモジュールの数に比例したエネルギ量を生成することができるモジュールシステムの一部であってもよい。

更に別の目標は、同装置が、海水から熱エネルギを抽出するための統合システムを可能にし、海岸に押し出された海水は、ヒートポンプを介した加熱プロセスまたは冷却プロセスを達成するために、海へ戻す前に、蓄積されたり熱交換器へ輸送されたりする。

そこで、本発明の特定の主題は、
１つの浮遊体と、
一端が海底に係留され、他端がフレキシブルケーブルを介して前記浮遊体に係留されていることが好ましい２つの剛体ロッドと、
前記ロッドの自由端それぞれが、海底に向かって常に引っ張られている状態を維持する２つの錘と、
前記ロッドの底部分に配置されたヒンジそれぞれの近くに配置された、少なくとも１つの発電機またはエネルギを変換および／または伝送するのに適した他の類似する装置と、を少なくとも備え、
波の高さに追従する浮遊体の振動の動きにより、力が誘起され、その力の垂直成分により、各ヒンジを基準とするロッドの旋回及び振動の動きが生成され、それにより、同発電機のギアの動きにより電気エネルギを生成し、
同浮遊体が垂直線Ａ−Ａ’上に常時位置するように、前記浮遊体の振動の水平成分は、平衡錘システムにより釣合いがとられている、
ことを特徴とする、海波からの機械的エネルギを電気エネルギへ変換するための装置である。

本発明は、好ましい実施形態に従って、特に以下の添付図面の形状を参照して、実例として説明されているが、これに限定されるものではない。

本発明に係る、浮遊体と、一端が海底に係留された２つの剛体ロッドとを備える装置の概略側面図である。 浮遊体の高さが変化すると、ロッドが海底における係留点の周りを旋回する構造を有する、図１と同じ装置の概略側面図である。 各成分の大きさが示された、図１と同じ装置の概略側面図である。 浮遊体に作用する水平方向の力により構成要素の位置の変化が生じる、図１と同じ装置の概略側面図である。 浮遊体に作用する水平方向の力に起因する構成要素の位置の変化が生じる、図１と同じ装置の概略側面図である。 本発明に係る、浅瀬に設置するのに適した実施形態の装置の概略側面図である。 本発明に係る、深海に設置するのに適した実施形態の装置の概略上面図である。 深海に設置するのに適した実施形態における、図７と同じ装置の概略側面図である。 図１に示すような装置をより多く備え、浮遊体が連結されているモジュール構造の概略上面図である。 浅瀬に設置するのに適した実施形態における、図６と同じ装置の三次元図である。

以下では、本発明の多くの考えられる実施形態のうちのいくつかだけを説明していること、これらは、単なる特定の例に過ぎず、これらに限定されるものではなく、開示された本発明の技術的解決手段に基づく他の多くの実施形態を記述しうる可能性を有していることを強調しておく。

図１を参照するに、海波の機械的エネルギを電気エネルギへ変換するための装置１００は、海面１１２に配置された浮遊体１０１と、浮遊体１０１を貫いて横切る垂直線Ａ−Ａ’に関して対称の位置に設置され、ポイント１１０、１１１それぞれの海底１０８に係留され、長さがｌｐである２つの剛体ロッド１０２、１０３と、海底１０８から距離ｌｐだけ離間した各ロッド１０２、１０３それぞれの端部に配置された２つの錘Ｍ１０４、１０５と、点「ｃ」１１３において、ロッド１０２、１０３それぞれと浮遊体１０１とを連結する２つの接続ケーブル１０６、１０７と、を備える。

（垂直振動に関連するエネルギ生成）
図２を参照するに、発電機１０９は、ヒンジ「ａ」１１１に近接して設置されている。ヒンジ「ａ」１１１は、海底１０８に係留されており、浮遊体１０１、ケーブル１０６、１０７、錘Ｍ１０４、１０５およびロッド１０２、１０３は、海水面１１２の変化に連動して動き、浮遊体１０１およびこれに接続されている他の部品を動かす。発電機１０９は、ピボット「ａ」１１１に近接して配置され、海底１０８に係留されたロッド１０３およびヒンジ１１１の間の相対運動により作動する。

静的な構成の装置１００は、海面１１２の動きがない場合、浮遊体１０１が錘Ｍ１０４、１０５並びにロッド１０２、１０３を支持するように、安定した平衡状態を示す。ケーブル１０６、１０７およびロッド１０２、１０３は、常に引っ張られた状態にある。

海面１１２ａが海面の平均高さ１１２から移動し始め、浮遊体１０１および装置１００の可動部品を引っ張ると、発電機１０９がエネルギを生成し始める。しかしながら、浮遊体１０１の動きの振幅は、海面の動きの振幅と同じではなく、海面の動きに対して位相が遅れる。実際、エネルギが電気の性質を有する場合またはエネルギが水力の性質を有する場合を問わず、システム全体は、動きに対向する。システムから抽出されるエネルギの一部、重量、同浮遊体の大きさ並びにロッドおよびケーブルの大きさは、システムの全ダイナミクスおよび生成されるエネルギ量を決定する設計パラメータである。これらのパラメータの最適化により、システムを、特定の位置に係る海の異なる状態に適用させることが可能となる。

（装置の構成）
図３を参照するに、浮遊体１０１は、以下に示す距離により定義される平衡位置に存在する。
ｓ：浮遊体１０１の水中に沈んだ部分
ｚ、ｒ：同浮遊体１０１の全高および全幅
ｈ：ヒンジ１１０の、静的な安定位置からの全距離
ｌｐ：ヒンジ１１０と錘Ｍ１０４との間の距離、またはロッド１０２の全長
ｌｃ、ｈ１：錘Ｍ１０４を浮遊体１０１に接続するケーブルの距離
図３に示す角度は、これらの寸法の帰結である。装置１００は、軸Ａ−Ａ’について幾何学的な対称性と、力の対称性とを有する。

（水平方向の振動に関するエネルギ生成）
図４に示すように、水平方向Ｘに沿って生じる動きにより、浮遊体を始点へ戻そうとする力の発生が決まる。例えば、浮遊体１０１の右への動きは、ケーブル１０６および左側ロッド１０２の両方の引っ張る力を増大させ、同時に、ケーブル１０７および右側ロッド１０３の両方を引っ張る力を減少させ、これにより、ロッド１０２、１０３は、Ｘ方向に沿ってＡ−Ａ’軸に関する安定した開始点へ戻ろうとする。Ｘ方向に沿って浮遊体１０１の変位が生じると、一方のロッドが持ち上がり他方のロッドが下がる。それにより、左側のシステムおよび右側のシステムの両方でエネルギを生成する動きが生じる。

図５は、例えば波または海流のような外部作用による、開始平衡位置に関する浮遊体１０１に生じる変位の上面図である。装置１００は、同ロッド１０２を水平面ｘ−ｙ上で旋回させることが可能な副ヒンジａ’１２０を備える。これにより、ｙ方向に沿った力が作用することにより、主ヒンジとロッド１０２との間の接続部分が横へ動いてしまうことが回避される。図５の実線で示す位置は、装置１００の平衡位置を表す。

浮遊体１０１の方向Ｈ−Ｈ’に沿った変位ｆｙにより、他の全ての要素（図５の破線）の変位が生じる。この変位は、線ａ’−１ｂに沿った２つの作用の強度を増加させ、その結果、装置１００をｙ方向に沿って始点に戻そうとする作用効果が生じるので、安定した平衡位置では存在しない力構成が現れている。この場合でも、浮遊体１０１の変位により、一方のロッドが持ち上がり他方のロッドが下がり、それにより、左側システムおよび右側システムの両方にエネルギを生成する動きが生じる。装置１００は、動作中、即ち、エネルギを生成するためにギアが抵抗を示す間、およびそれに続く平衡位置に戻るステップの両方において、この位置から始点に戻ろうとしながら、エネルギも生成しようとする。

全を考慮すると、静的な状態（動きがない場合）における平衡位置が、絶対的な平衡状態（最も低いポテンシャルエネルギを有する）を表し、海水面または海流の変化により決まる上記位置からの変位により、装置１００の可動部分の動きをもたらし、動作中およびそれに続く平衡状態へ戻るステップの両方において、エネルギを生成することを可能にしている。

（浅瀬における本発明の実施形態）
図６は、約１０−２０ｍの深さの浅瀬に設置された例を表している。この場合にも、ヒンジ１１０および１１１の位置は、海底１０８に固定されていなければならず、固定要素は、ヒンジ１１０および１１１を互いに近づけるように動かそうとする作用に耐えなければならない。

浅瀬では、発電機１０９およびピボット１１１により構成される装置は、例えば、適当な架台１３２を用いて、海底１０８に直接置くことができ、その位置は、全システムを持ち上げようとする作用に耐えるためのケーブルおよび係留手段のシステムを用いて海底に固定されている。

（深海における本発明の実施形態）
図７および８は、典型的には２０ｍよりも深い深海に設置された例の、概略上面図および概略側面図を表す。
これらの場合、構造は、
２つのヒンジが互いに近づくことができ、左側部分が右側部分に接触するようになることを回避するのに適したロッドおよびケーブルのシステムと、
海底に係留するためのケーブルシステムと、
錘Ｍの位置が、関連するヒンジおよび発電機の高さよりも低い高さに達した場合でさえも、前記システムを動作できる高さで維持するのに適した浮遊体、具体的には、上記システムの重力成分が下向きになる状況において、前記発電機およびヒンジの重さを支えるのに十分な大きさを有し、垂直方向の作用の動的成分による影響を受けない浮遊体と、を備える。

再び図７および８では、深海に設置する場合に用いられ、ロッド２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ、係留手段および付加的浮遊体２０２、２０３を用いることにより右側部分と左側部分とが接続されたシステム２００が示されている。

（モジュールの実施形態）
図９では、各単一モジュールが前述の装置１００のうちの１つで表される、１つの要素が他の要素に追従するより多くの要素の設置例が示されている。この場合、生成されるエネルギ量は、装置に関連する海面に比例している。

図１０では、各単一モジュールが前述の装置１００のうちの１つで表される、二重面対称な構造に従った、より多くの要素の設置例が示されている。生成されるエネルギの総量は、設置されたモジュールの数に比例する。

（熱エネルギを抽出する統合システム）
エネルギ生成は、以下の２つの方法により行うことができる。
ヒンジに近接して配置され、回転子および固定子の相対運動することにより作動する発電機を用いる方法。この場合、エネルギは、電源ケーブルにより海岸まで送られる。
海岸に配置された、電気エネルギを生成するための水車を用いる方法。この場合、水車は、沖合（海岸から離れた場所／off shore）に設置されたシステムにより押し出される海水によって動く。具体的には、ヒンジに近接したところにおける、固定された要素に対する上記ロッドの動きにより、システムが配管内部の海水を押し出してシステムを動作させる。

本発明の別の実施形態は、電気エネルギの生成と同時に、海水から熱エネルギを抽出することに関する。海水は、ヒートポンプ手段を通じた加熱または冷却の過程を達成するために、海岸に向かって押し出され蓄積されるか、または、いくつかの熱交換器に送られた後、海に戻される。

熱エネルギの抽出は、以下の相異なる方法により行うことができる。
海水を収容するタンクと、各ユーザの加熱システムまたは冷却システム用に熱の供給、または除去が可能である、熱配管内部を真水が循環する熱交換器とを作ること。
熱交換器を通った海水により加熱または冷却された真水を収容するタンクは、各ユーザの加熱システムまたは冷却システム用に熱の供給または除去が可能な熱配管に接続されている。
各ユーザの加熱システムまたは冷却システム用に熱の供給または除去が可能である、海水を収容する熱配管を作ること。

従って、前述の例は、本発明が、提案された目的の全てを達成していることを示している。特に、本発明によれば、海波の機械的エネルギを電気エネルギへ変換するための装置が得られる。更に、同装置は、安定した平衡点を有し、その平衡点に関する水平方向および垂直方向の振動により、発電機を作動させることができる。

本発明によれば、同装置は浅瀬またはその代わりに深海に設置されてもよい。また、装置は、海面の覆われた面積、または、設置されたモジュールの数に比例した量のエネルギを生成することができるモジュールシステムの一部とすることもできる。

最後に、本発明の装置によれば、海水から熱エネルギを抽出するシステムを統合することができる。ここで、海岸へ押し出された海水は、ヒートポンプを有する手段を介した加熱または冷却の過程を達成するために、蓄積されるか、または、熱交換器に送られてから、海へ戻される。

本発明について、好ましい実施形態に従って、実例として説明し、これに限定されるわけではなく、添付の請求項で定義されるように関連範囲から逸脱しない限り、当業者による修正および／または改変が可能であることは明らかである。

Claims (10)

1. 少なくとも１つの浮遊体（１０１）と、
   一端が海底（１０８）に係留され、他端がフレキシブルケーブル（１０６）（１０７）を介して前記浮遊体（１０１）に係留されていることが好ましい２つの剛体ロッド（１０２），（１０３）と、
   前記ロッド（１０２），（１０３）の自由端を常に海底（１０８）に向かって引っ張られた状態に維持する２つの各錘（１０４），（１０５）と、
   ロッド（１０２），（１０３）の底部分に配置された各ヒンジ（１１０）（１１１）の近くに配置された、少なくとも発電機（１０９）またはエネルギ変換および／またはエネルギ伝送に適した他の類似した装置を備え、
   波の高さ（１１２）に追従する浮遊体（１０１）の振動の動きが、各ヒンジ（１１０），（１１１）で旋回するロッド（１０２），（１０３）の旋回および振動する動きを生じさせる垂直成分を有する力を生じさせ、それにより、同発電機（１０９）のギアの動きによる電気エネルギを生成させ、
   同浮遊体（１０１）が垂直線Ａ−Ａ’上に常時位置する傾向を生じるように、前記浮遊体（１０１）の振動による前記力の水平成分が、平衡錘システムにより釣合いがとられている、
   ことを特徴とする、海波の機械的エネルギを電気エネルギに変換するための装置（１００）。
2. 水平方向Ｘにおいて生じうる動きにより、同浮遊体（１０１）を開始点に戻そうとする力が生じ、例えば、浮遊体（１０１）の右への動きにより、前記ケーブル（１０６）および左側ロッド（１０２）の両方の駆動力が増加し、同時に、ケーブル（１０７）および右側ロッド（１０３）それぞれの駆動力が減少し、これにより、ロッド（１０２），（１０３）を前記軸Ａ−Ａ’についての開始平衡位置へ戻そうとするＸ方向の効果を有する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の、海波の機械的エネルギを電気エネルギへ変換するための装置（１００）。
3. 装置（１００）が、ｙ方向に沿って生じうる力の結果として、主ヒンジとロッド（１０２）の間の接続における横方向への動きが回避されるように、前記ロッド（１０２）を水平平面ｘ−ｙ上で回転させることができる副ヒンジａ’（１２０）を備え、
   浮遊体（１０１）の方向Ｈ−Ｈ’に沿って生じうる変位ｆｙが、線ａ’−１ｂに沿った２つの作用の強度を増加させるので、他の要素全ての更なる変位を生じさせ、そして、安定した平衡状態ではない力構成が表れ、その結果、ｙ方向に沿う作用が装置（１００）を始点に戻そうとする効果を生じる、
   ことを特徴とする、請求項１または２に記載の、海波の機械的エネルギを電気エネルギに変換するための装置（１００）。
4. 約１０−２０ｍの深さの浅瀬に設置される装置（１００）であって、
   ヒンジ（１１０）および（１１１）の位置が海底（１０８）に固定されており、固定要素が、ヒンジ１１０および１１１を互いに近づく方向へ移動させようとする作用に抵抗するのに適しており、
   発電機（１０９）およびヒンジ（１１１）から構成される装置が、例えば、適合可能な架台（１３２）を用いて、海底（１０８）に直接配置されることが可能であり、その位置が、それを持ち上げようとする作用に抵抗するためのケーブルおよび係留手段のシステムを用いて、海底に固定されている、
   ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の、海波の機械的エネルギを電気エネルギに変換するための装置（１００）。
5. 典型的には２０ｍよりも深い深海に設置される装置（１００）であって、
   ２つのピボットが互いに近づき、左側部分が右側部分に接触することを回避するのに適したロッドおよびケーブルのシステムと、
   海底に係留するためのケーブルシステムと、
   錘Ｍの位置が関連するピボットおよび発電機の位置に対してより低い位置に達した場合でさえも、前記システムを動作高さで維持するのに適した浮遊体、具体的には、前記システムの重力成分が下方向である状況において、前記発電機およびピボットの重さを支えるのに十分な大きさを有し、垂直方向の作用の動的成分による影響を受けないことができる浮遊体と、を備える、
   ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の、海波の機械的エネルギを電気エネルギに変換するための装置（１００）。
6. ロッド（２０１ａ），（２０１ｂ），（２０１ｃ），（２０１ｄ）と、係留手段と、付加的浮遊体（２０２），（２０３）とを用いることにより、システム（２００）の右側と左側とが接続されている、
   ことを特徴とする、請求項５に記載の、海波の機械的エネルギを電気エネルギに変換するための装置（１００）。
7. １つの要素が他の要素に追従する複数の要素から構成され、各単一モジュールが前記装置（１００）のうちの１つであるモジュールシステムを備え、エネルギの生成が前記装置と関わる海面に比例する、
   ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の、海波の機械的エネルギを電気エネルギに変換するための装置（１００）。
8. 円または二重対称となるように配置されたより多くの要素を備え、各単一モジュールは、前記装置（１００）のうちの１つから構成され、生成されるエネルギ量は、設置されたモジュールの数に比例する、
   ことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の、海波の機械的エネルギを電気エネルギに変換するための装置（１００）。
9. ヒンジに近接して配置され、回転子と固定子の相対運動により動作する発電機を用い、エネルギが電源ケーブルにより海岸へ送られることと、
   海岸に配置された電気エネルギを生成するための水車を用いるとともに、この場合に、前記水車が、沖合に設置されるシステムにより押し出される海水を用いて動作すること、具体的には、ヒンジの場所で、固定された要素と前記ロッドの間の動きにより、配管内部の海水を押し出して前記システムを動作させることができる、という、
   ２つの相異なる方法により、エネルギの生成を行う、
   ことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の、海波の機械的エネルギを電気エネルギに変換するための装置（１００）。
10. 電気エネルギを生成すると同時に、前記海水から熱エネルギを抽出する手段を有し、
    ヒートポンプ手段を介して加熱または冷却過程を達成するために、前記海水が、海へ戻される前に、海岸へ押し出されて、蓄積されるか、または、熱交換器に送られる、
    ことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の、海波からの機械的エネルギを電気エネルギに変換するための装置（１００）。

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