JP2015532380A - 波力エネルギー変換のための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】回転する海洋波力エネルギーを効率的にかつコスト効率良く回転運動に変換して直接駆動式の回転発電に用いつつ信頼性と存続性の向上を達成する波力エネルギー変換装置を提供する。【解決手段】相互接続された２つの浮体組立体間の相対回転運動と、各浮体組立体及びスパー間の相対回転運動とを用いて波力エネルギーを変換する装置及び方法を提供する。上記スパーは、中心長手方向軸心を有する浮揚性ナセルから延出し、上記浮体は上記浮揚性ナセルの後方に入れ子状態とすることができる。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、概して波のサージ及びヒーブをエネルギーに変換することに関し、特には波力エネルギー変換（ＷＥＣ）のための装置、システム、及び方法に関する。

海洋エネルギー、特に波力エネルギーは、一貫性があり信頼できる予測可能なエネルギー源を代表するものであり、広く利用でき、人口集中地域に近く、負荷が適切なエネルギー源である。世界全体の人口のおよそ７０％が海から２００マイル以内に住んでいるので、上記エネルギー源は再生可能なエネルギー源として利用しやすいものとなっている。環境面では、波はクリーンで再生可能なエネルギー源として最も優しいものの１つとして代表される。これらの特徴は、最も広く利用できる地球の再生可能なエネルギー源の中でも波力エネルギーに固有のものである。

国際エネルギー機関は、波、潮汐及びその他の海洋エネルギー源について、１６０，０００の直接の職を創出しＣＯ_２排出を５２億トン減らすという２０３０年目標を宣言している。米国の場合、具体的には、波のパワーから実際に利用できる電気は、約２５２ＴＷｈ／年、すなわち米国の電気需要のおよそ６．５％である。

波力エネルギーは、世界的に望まれている資源であり、多種混在するクリーンで再生可能なエネルギー資源の中でコスト競争力のある重要な要素となる可能性がある。しかし、どの企業もまだ海洋の遅いスピード及び巨大な流体力のコスト効率の良い利用を実証できていない。この問題は、現存する波力エネルギー変換装置が極端な条件に対する適切な保護機構を通常有しておらず、相対的に機械的非信頼性を抱えており、波の回転エネルギーを十分に補足することができないことを含む、様々な検討事項から生じている。存続性とエネルギーコストという対立する問題の解決は達成可能ではあるが、その成功のためには現在の技術水準（ＳＴＯＡ）を大きく向上する必要がある。

したがって回転する海洋波力エネルギーを効率的にかつコスト効率良く回転運動に変換して直接駆動式の回転発電に用いつつ信頼性と存続性の向上を達成する波力エネルギー変換装置が必要である。

本開示は、自律的系統連系用途の範囲において用いられる波力エネルギー変換装置（ＷＥＣ）を記載するものであり、当該自律的系統連系用途の範囲は、低電力センサ、海上車両及び船舶、脱塩、水産養殖、海洋石油及びガスのプラットフォーム、並びに実用規模の系統連系を含むが、これらに限定されない。上記ＷＥＣは、少なくとも２つの浮体と、下方に延在する２つのスパーと、水域の表面上で浮揚的に支持可能な少なくとも１つのナセルとを有する浮揚性自己参照型多体システムであって、海洋のうねり及び高潮のヒーブ及びサージを、従来式及び大径低速直接駆動式の両方の発電機又はポンプを駆動し得る回転トルクへと効果的かつ効率的に変換する浮揚性自己参照型多体システムである。

上記ＷＥＣは、係留システムに依らずにトルクを生成するが、ステーション保持用の係留システムを含んでもよく、いくつかの実施形態では、方向制御用の係留システムを含んでもよい。特定の自律的用途においては、上記ＷＥＣは係留を全く必要としなくてもよい。本開示に係るＷＥＣは、海洋の波の回転する性質を利用して、中心筐体内で機械的トルクを生成するように回動可能に結合された浮体への入射エネルギーを補足してもよい。この手法はより効率的なものであり、海洋に存在する非常に広い範囲のパワーをより良く扱うことができる。このような手法は、天候条件の全範囲に亘って安全な動作を提供し得るものであり、これによって、「１００年来の暴風」のような条件でも存続可能となる。

波力エネルギー変換装置（ＷＥＣ）の最終目的は、エネルギーの一形態を他の形態に変換することであり、この場合、当該変換は、機械的トルクへの流体力学的変換、及び最終的には電気的又はその他の伝達し易い形態への流体力学的変換を含む一連の変換において行われる。エネルギー資源の性質上、ＷＥＣは、非常に遅い速さ、非常に大きい力、周期的な急激かつ無秩序な動き、並びに年間平均の１０倍を超えるピーク時の速さ及び力を含む固有の一連の設計要件を必要とする。この非常に遅い速さを利用して、コスト効率の良い複合的な電気機械的解決手段を提供するという設計上の利点を達成できる。このコスト効率の良い複合的な電気機械的解決手段は、通常１０倍を超える速さで動作する従来の手法では実現できないものである。これにより、電磁ハードウェアの低コスト化、高効率化、エネルギーの高出力化、及びエネルギーコスト（ＣｏＥ）の低減がなされる。

風力産業では、大径直接駆動は低速で実行可能な技術手法であることが実証されており、ＷＥＣもまた、極めて低速での動力取出しの際に生じる課題に応じて調整することで同様のことが可能となる。したがって、様々な実施形態では、直接駆動を利用してもよく、それにより、ギアボックスの必要性がなくなり、信頼性が向上し、費用がかかる海上保守作業の必要性が少なくなる。また、ステータ／ロータ構成要素は、いくつかの実施形態では、モジュラー式としてもよく、それにより、全体寸法が小さくなり、展開前輸送の低コスト化がさらに促進される。また、モジュール化により、「海上」での保守作業が可能となり、耐故障性も向上し得る。

一態様に係る波力エネルギー変換装置（ＷＥＣ）用のシステム及び装置は、中心長手方向軸心を有する浮揚性ナセルを備える。上記ＷＥＣは、それぞれ上記浮揚性ナセルに連結された第１スパー及び第２スパーをさらに備える。第１浮体は、第１動力取出装置に動作可能に結合し、前記ナセルの外面と当該第１浮体の径方向遠位端とにより画定される径方向長さの範囲内において前記中心長手方向軸心を中心に回動するように配置してもよい。第２浮体は、第２動力取出装置又は上記第１動力取出装置に動作可能に結合し、上記第１浮体の径方向遠位端と上記第２浮体の径方向遠位端とにより画定される径方向長さの範囲内において上記長手軸心を中心に回動するように配置してもよい。

別の態様に係る発電方法は、中心長手方向軸心を有する浮揚性ナセルと、それぞれ上記浮揚性ナセルに連結された第１スパー及び第２スパーと、第１浮体と、第２浮体とを備えるＷＥＣを提供する第１のステップを含む。上記第１浮体は、第１動力取出装置に動作可能に結合し、前記ナセルの外面と当該第１浮体の径方向遠位端とにより画定される径方向長さの範囲内において前記中心長手方向軸心を中心に回転するように配置してもよい。上記第２浮体は、第２動力取出装置又は上記第１動力取出装置に動作可能に結合し、上記第１浮体の径方向遠位端と上記第２浮体の径方向遠位端とにより画定される径方向長さの範囲内において上記長手軸心を中心に回転するように配置してもよい。上記発電方法は、上記ＷＥＣを波動場に展開する第２のステップをさらに備える。

本発明の上記又はその他の特徴、態様、及び利点は、明細書、添付の請求項、及び添付の図面を参照することでより良く理解されるであろう。
本発明の様々な実施形態に係るＷＥＣを示す３次元等角外観図である。 本発明の様々な実施形態に係るＷＥＣを示す３次元等角外観図である。 本発明の様々な実施形態に係るＷＥＣを示す３次元等角外観図である。 本発明の様々な実施形態に係るＷＥＣを示す３次元等角外観図である。 本発明の様々な実施形態に係るＷＥＣを示す３次元等角外観図である。 本発明の様々な実施形態に係るアーチ型ドライブアームを示す側面図である。 本発明の様々な実施形態に係るアーチ型ドライブアームを示す側面図である。 本発明の様々な実施形態に係るＷＥＣの内部構成要素を示す平面視断面図である。 本発明の様々な実施形態に係るＷＥＣの内部構成要素を示す平面視断面図である。 本発明の様々な実施形態に係る様々な長さのスパーに沿って様々な深さに配置された流体力学制御システムを有するＷＥＣを示す側面図である。 本発明の様々な実施形態に係る様々な長さのスパーに沿って様々な深さに配置された流体力学制御システムを有するＷＥＣを示す側面図である。 本発明の様々な実施形態に係る様々な長さのスパーに沿って様々な深さに配置された流体力学制御システムを有するＷＥＣを示す側面図である。 本発明の様々な実施形態に係る様々な長さのスパーに沿って様々な深さに配置された流体力学制御システムを有するＷＥＣを示す側面図である。 本発明の様々な実施形態に係る様々な進入／退出構成及びアクセス構成を説明するためのＷＥＣの正面視断面図である。 本発明の様々な実施形態に係る波動場の粒子速度を示す図である。 本発明の様々な実施形態に係るＷＥＣの軌道運動を誇張して示す図である。 本発明の様々な実施形態に係るＷＥＣの軌道運動並びに第１浮体及び第２浮体の波応答運動を示す図である。 本発明の様々な実施形態に係るＷＥＣに取り付けられた様々な係留システムを示す図である。 本発明の様々な実施形態に係るＷＥＣに取り付けられた様々な係留システムを示す図である。 本発明の様々な実施形態に係るＷＥＣに取り付けられた様々な係留システムを示す図である。 本発明の様々な実施形態に係るＷＥＣに取り付けられた様々な係留システムを示す図である。 本発明の様々な実施形態に係るＷＥＣに取り付けられた様々な係留システムを示す図である。 本発明の様々な実施形態に係るＷＥＣに取り付けられた様々な係留システムを示す図である。 本発明の様々な実施形態に係る越水浮体補正を示す側面図である。 本発明の様々な実施形態に係る越水浮体補正を示す側面図である。 本発明の様々な実施形態に係る越水浮体補正を示す側面図である。 本発明の様々な実施形態に係る越水浮体補正を示す側面図である。 本発明の様々な実施形態に係る越水浮体補正を示す側面図である。 本発明の様々な実施形態に係る越水浮体補正を示す側面図である。 本発明の様々な実施形態に係る入れ子状態及び／又は展開状態のＷＥＣを示す平面図及び側面図である。 本発明の様々な実施形態に係る入れ子状態及び／又は展開状態のＷＥＣを示す平面図及び側面図である。 本発明の様々な実施形態に係る入れ子状態及び／又は展開状態のＷＥＣを示す平面図及び側面図である。 本発明の様々な実施形態に係る入れ子状態及び／又は展開状態のＷＥＣを示す平面図及び側面図である。 本発明の様々な実施形態に係る４つの例示的なＷＥＣの長さ及び深さを示す側面図である。 本発明の様々な実施形態に係る小規模ＷＥＣの寸法概略図である。 本発明の様々な実施形態に係る小規模ＷＥＣの寸法概略図である。 本発明の様々な実施形態に係る小規模ＷＥＣの寸法概略図である。 本発明の様々な実施形態に係る中規模ＷＥＣの寸法概略図である。 本発明の様々な実施形態に係る中規模ＷＥＣの寸法概略図である。 本発明の様々な実施形態に係る中規模ＷＥＣの寸法概略図である。 本発明の様々な実施形態に係る活動が穏やかな波動場で展開する場合の大規模ＷＥＣの寸法概略図である。 本発明の様々な実施形態に係る活動が穏やかな波動場で展開する場合の大規模ＷＥＣの寸法概略図である。 本発明の様々な実施形態に係る活動が穏やかな波動場で展開する場合の大規模ＷＥＣの寸法概略図である。 本発明の様々な実施形態に係る活動が激しい波動場で展開する場合の大規模ＷＥＣの寸法概略図である。 本発明の様々な実施形態に係る活動が激しい波動場で展開する場合の大規模ＷＥＣの寸法概略図である。 本発明の様々な実施形態に係る活動が激しい波動場で展開する場合の大規模ＷＥＣの寸法概略図である。 本発明の様々な実施形態に係る方法を示すフローチャートである。

本開示の技術は、海洋のうねり及び高潮のヒーブ及びサージに関連するエネルギーを回転動力に変換する際に役立つ波力エネルギー変換装置（ＷＥＣ）に関する。図１Ａ〜図１Ｇに示すように、ＷＥＣ１００は、中心長手方向軸心を有する浮揚性ナセル１０２と、第１スパー１０４と、第２スパー１０６と、動力取出装置（ＰＴＯ）に（例えば、第１浮体ドライブアーム１１２によって）動作可能に結合された第１浮体１０８と、動力取出装置（例えば、上記第１動力取出装置又は第２動力取出装置）に（例えば、第２浮体ドライブアーム１１４によって）動作可能に結合された第２浮体１１０とを備える。いくつかの実施形態では、ＷＥＣ１００は、流体力学制御システム１１６（ＨＣＳ）をさらに備えてもよい。

いくつかの実施形態では、ナセル１０２は、実質的に水密性の筐体であってよく、その中に１つ以上の回転駆動式動力取出装置を収容してもよい。別の実施形態では、ナセルは２つ以上（例えば、図示の例では３つ）の実質的に水密性のモジュール１１８、１２０、１２２を接続したものであってもよい。いくつかのこのような実施形態では、中央モジュール１２２は中空の浮揚性シェルであってもよく、その中に発電用、保守点検用、及び／又はその他の機器を収容してもよく、あるいはその他適当な用途に使用してもよい。さらなるこのような実施形態では、第１モジュール１１８及び第２モジュール１２０はそれぞれ１つ以上の回転駆動式動力取出装置を収容する。

ＷＥＣ１００の任意の構成要素（例えば、スパー１０４、１０６、浮体１０８、１１０、ナセル１０２等）のモジュール化及び／又は区画化は、多くの実施形態で望ましいものとなり得る。区画化により、例えば、潜在的な漏れを収容するための機構を提供してもよく、それによって、漏れ発生時に浸水をＷＥＣ１００の限られた範囲内に収めるようにしてもよい。区画化により、より有用な機器収容スペース、よりアクセスしやすい保守領域、動的バラストタンクとして機能する領域等様々な別々の領域を提供してもよい。ＷＥＣ１００の特定の構成要素のモジュール化により、輸送時における小型化及び／又は海上保守の単純化というさらなる恩恵が得られることがあり、それによって、低コスト化され、動作不能時間が短縮される。

ナセル１０２は、複合材料（例えば、炭素繊維、ケブラー、繊維ガラス等）、コンクリート、圧延鋼、アルミニウム、及び／又はその他の適切な金属若しくは合金により製造されてもよい。いくつかの実施形態では、ナセル１０２又はそのモジュール１１８、１２０、１２２はいずれも、積込み／積卸し用の機器及び人員（例えば、保守及び修理用人員）のためのナセルアクセスハッチ１２６を備えてもよい。後で図２Ａ〜図２Ｂを参照して詳述するが、浮揚性の浮体１０８、１１０は、ナセル１０２内に搭載された１つ以上のＰＴＯに動作可能に結合されている。この動作可能に結合は、いくつかの実施形態では、ドライブアーム１１２、１１４を備えてもよく、当該ドライブアーム１１２、１１４は、例えば、ナセル１０２内へと延在するドライブシャフト／ハブに接続されてもよいし、そのようなドライブシャフト／ハブに接続されたギアボックスに接続されてもよい。いくつかの実施形態に係るドライブシャフト／ハブは、例えば、１つ以上の直接駆動発電機（複数可）、ギアボックス駆動型の発電機（複数可）、油圧装置（複数可）、ポンプ装置（複数可）、水ポンプ（複数可）、水脱塩装置（複数可）、空気ポンプ（複数可）、油圧ポンプ（複数可）等に接続してもよい。しかし、本開示に鑑みて、当業者は回転動力をナセル内に搭載されたＰＴＯに伝達するための上記構成に対する代替案を簡単に設計でき、そのような実施形態は本開示の範囲内であることを理解されたい。

本開示に係るＷＥＣ１００のその他の構成要素は、第１スパー１０４及び第２スパー１０６を含んでもよい。スパー（例えば１０４、１０６）は、本明細書で用いる際は、中空の又は中実の細長い要素である。各スパー１０４、１０６の断面形状は任意の適切な形状としてよい（例えば、円形、三角形、翼型形状、楕円等）。スパー１０４、１０６は、複合材料（例えば、炭素繊維、ケブラー、繊維ガラス等）、コンクリート、圧延鋼、アルミニウム、及び／又はその他の適切な金属若しくは合金により製造されてもよい。規模によっては、スパー１０４、１０６のうち１つ以上は、バラスト、機器、並びに発電、保守、及びバラスト等に関係する人員を収容し又は進入／退出させるために、中空化、区分化、又はモジュール化してもよい。展開時には、第１スパー１０４及び第２スパー１０６は下方に延び水中に入る。スパー１０４、１０６は、概して、ナセル１０２の両端に直接又は間接的に取り付けてもよい。いくつかの実施形態では、スパー１０４、１０６は固定的に又は回転可能にナセル１０２に取り付けてもよいが、本開示に鑑みて、任意の適切な取付け方法を用いてもよいことは明らかであろう。

いくつかの実施形態では、スパー１０４、１０６のうち１つ以上はナセルから上方に延在し、係留柱又は付属の搭載構造（例えば、アンテナ、ソーラーパネル、警告灯等）として動作し得る。様々な実施形態では、スパー１０４、１０６のうち１つ以上に取り付けた搭乗エリア（例えば、作業台及び又はドッキング固定具）を含んで、展開されたＷＥＣ１００への作業アクセスを改善してもよい。実用規模の設計を含むより大きな設計では、延在するスパーの上部領域にスパーアクセスハッチ１２８を設けてもよい。スパーアクセスハッチ１２８は、概して、非暴風条件において水線より上にあり、また、保守点検用の人員及び／又は機器がＷＥＣ１００に進入又はＷＥＣ１００から退出できるように設計され、ＷＥＣ１００の構成要素及び内部機器へのさらなるアクセスが確保されるであろう。

スパー１０４、１０６は、ＷＥＣ１００の構造的な支えとなり、また、ＷＥＣ１００の重心（ＣＧ）及び／又は浮力中心（ＣＢ）を設定するための設計ツールとなる。ＣＧ及び／又はＣＢの設計点は、スパー長（喫水）、スパー重量、及び／又はスパー重量分布を特定の用途に合わせて調整することで得ることができる。また、スパー１０４、１０６は、１つ以上の流体力学制御システム１１６（例えば、重り、プレート、バラストタンク）用の取付け点として機能する。

いくつかの実施形態では、ＨＣＳ１１６はスパー１０４、１０６に固定的に取り付けられてもよい。別の実施形態では、後で図３Ａ〜図３Ｄを参照してさらに説明するが、ＨＣＳ１１６はスパー１０４、１０６に可動的に取り付けて、スパー１０４、１０６に沿ったＨＣＳ１１６の位置を変更可能としてもよい。ＨＣＳ１１６の位置は任意の数の理由に合わせて調整することが望ましくなり得る。当該理由は、海の状態の変化、天候の変化、及び／又はミッション要件の変更を含むがこれらに限定されない。ＨＣＳ１１６はプレート（例えば、ヒーブプレート、ダンパープレート）、成形部材（例えば、楔、円筒、立方体、楕円等）、バラストタンク、流体力学的形状（例えば、翼形状）のプレート及び／又はバラストタンク等を含んでもよいが、これらに限定されない。ＨＣＳは、複合材料（例えば、炭素繊維、ケブラー、繊維ガラス等）、コンクリート、圧延鋼、アルミニウム、及び／又は適切な材料により製造されてもよい。いくつかの実施形態では、このようなＨＣＳ１１６は、例えば、動的バラスト制御、ベーン／舵、トリムタブ、係留システムの取付け等の追加の特徴（図示せず）、又はその他の望ましい追加の特徴を含んでもよい。本開示に鑑みて、ＷＥＣ１００の任意の構成要素（例えば、スパー１０４、１０６、浮体１０８、１１０、ナセル１０２等）又はこれらの構成要素の組合せは、様々な実施形態では、ＨＣＳ１１６を参照して上述した特徴のうち１つ以上を含んでもよいことは明らかであろう。さらに、本開示に鑑みて、いくつかの実施形態では、そのような各特徴又はそれらの特徴の組合せは、ＷＥＣ１００の特定の構成要素の一部として備えるのではなく、直接的に又は外部モジュール／区画の一部として、ＷＥＣ１００に取り付けてもよいことは明らかであろう。

２つのスパー１０４、１０６に単一のＨＣＳ１１６が取り付けられている場合を示したが、本開示に鑑みて、任意の個数のＨＣＳ１１６をＷＥＣ１００の任意の構成要素又は構成要素の組合せ（例えば、浮体１０８、１１０、ドライブアーム１１２、１１４、ナセル１０２等）に対して任意の手段により直接又は間接的に取り付けてもよいことは明らかであろう。例えば、いくつかの実施形態では、独立して移動可能な２つのＨＣＳ１１６をそれぞれ１つのスパーに搭載してもよい（例えば、１０４又は１０６）。別の実施形態では、ＨＣＳは、柔軟性のある部材（例えば、ケーブル、ロープ、チェーン、又はその他のテザー装置）を介してスパー１０４、１０６に間接的に接続されてもよい。

本開示に係る様々なＷＥＣ１００の重要な特徴は、２つ以上の浮体１０８、１１０の配置であってもよい。より具体的には、従来技術の実施形態とは違って、本開示は第１浮体１０８及び第２浮体１１０を備えたＷＥＣ１００に関するものであり、第１浮体１０８及び第２浮体１１０はそれぞれナセル１０２の中心長手方向軸心を中心に回動するように設計している。様々な実施形態では、第１浮体１０８及び第１浮体ドライブアーム１１２は、第２浮体１１０及び第２浮体ドライブアーム１１４によって画定される径方向スパン領域の範囲内でナセル１０２の外側を回動するように設計される。したがって、このような実施形態では、上記浮体配置設計により、第１浮体１０８及び第２浮体１１０は共に中心長手方向軸心を中心に制約無しで３６０度回動可能となる。上記設計に関連する例えば効率性及び存続性についての利点は、図１４Ａ〜図１４Ｆを参照してより詳細に後述する。

本開示に鑑みて、スパー１０４、１０６の範囲内に配置された浮体１０８、１１０及びドライブアーム１１２、１１４の図１Ａ〜図１Ｇに示す配置は排他的なものではないことは明らかであろう。様々な実施形態では、浮体１０８、１１０はそれぞれスパー１０４、１０６より幅を広くし、スパー１０４、１０６の外側でＰＴＯ（複数可）に接続されてもよい。いくつかのこのような実施形態では、ドライブアーム１１２、１１４をスパーよりも長くして、各浮体１０８、１１０が中心長手方向軸心を中心とした制約無しの３６０度の回動を維持してもよい。さらなる実施形態では、第１浮体１０８及び第１浮体ドライブアーム１１２を図１Ａ〜図１Ｇに示すようにスパー１０４、１０６の範囲内に配置し、第２浮体１１０及び第２浮体ドライブアーム１１４を上記のようにスパー１０４、１０６の外側に配置してもよい。本明細書においてドライブアーム（例えば１１２、１１４）との用語はドライブシャフト／ハブに直接的かつ動作的に接続された浮体接続アームを含むが、後で図２Ａ〜図２Ｂを参照してさらに詳述するようにシャフト又は構造部材に対してアイドル状態となるように設計された浮体接続アームを含んでもよい。図１Ｆ〜１Ｇに示すように、ドライブアーム１１２、１１４は直線状でなくてもよく、いくつかの実施形態では、曲線形状又はアーチ形状であってもよい。しかし、本開示に係るドライブアーム１１２、１１４は任意の形状及び／又は断面を有してもよいことを理解されたい。

さらに、本開示に鑑みて、第１浮体１０８、第２浮体１１０及びそれぞれのドライブアーム１１２、１１４の「入れ子」配置は、単一のナセルを中心に回動し当該ナセルに対して動作可能に結合された２つより多い浮体（例えば、図１Ａ〜図１Ｇに示すスパーの範囲内に配置された２つの浮体及び上述したようなスパーの外側に配置された追加の浮体）を備える設計に拡張できることは明らかであろう。同様に、当業者であれば、連結された波力エネルギー変換装置のアレー（例えば、スパー−ナセル−スパー−ナセル−スパーの配列とし、入れ子構造の浮体のペアを各ナセルに取り付けて構成する）からなる波力エネルギー変換装置を容易に作製し用いることができるであろう。このようなアレーによる実施形態では、１つのナセルにつき必要なスパーの数が少なくなり、係留システムが共有され、保守すべき発電場所の数が少なくなることにより、係留、建設コスト、及び保守効率が改善される。

浮体１０８、１１０は、複合材料（例えば、炭素繊維、ケブラー、繊維ガラス等）、圧延鋼、アルミニウム、その他の金属若しくは合金、木材、発泡体、ゴム、コンクリート、及び／又はその他の適切な材料により製造されてもよい。任意のサイズ、形状、体積、浮力、重量、及び／又は姿勢の浮体を本開示に応じて使用してもよい。様々な実施形態では、浮体１０８、１１０のうち１つ以上が１つ以上の内部バラストタンク（図示せず）を備えた設計としてもよい。いくつかのそのような実施形態では、上記内部バラストタンクは、チューニング目的、損傷防止、保守、曳航、越水補正、又は浮体１０８、１１０についての再配置、浮力補正、若しくはその他の調整を要し得るその他の状況に合わせて調整可能な動的バラストタンクであってもよい。

いくつかの好ましい実施形態では、各浮体はコスト効率の良いエネルギー補足を最適化するように設計してもよい。様々な実施形態では、第１浮体１０８は、上部サイド１０８ａ、前部サイド１０８ｂ、及び後部サイド１０８ｃを有してもよい。第１浮体１０８の上部サイド１０８ａ及び後部サイド１０８ｃは、構造を包み込むために用いられる材料が最小となる（すなわち、コストが減る）ように設計してもよい。例えば、半円型の上部サイド１０８ａの場合、より多くの材料を必要とし、製造コストが増加する。第１浮体１０８の全てのサイド（例えば、１０８ａ〜１０８ｃ）を平面又は凹んだ形状としてもよいが、いくつかの好ましい実施形態では、わずかに膨らんだ形状としてもよい。このようなわずかに膨らんだ湾曲の場合、モールドをベースとした複合製造加工だけでなく、マンドレルに巻き付けることによる複合製造も可能である。

前部サイド１０８ｂは、いくつかの実施形態では、入射波候からのエネルギー補足を最大にするために半径及び傾斜の両方について最適化されてもよい。このような最適化は、流体力学的数値解析及び最適化技法を用いて、利用材料を最小にしつつ第１浮体１０８により伝達される動力を最大にするよう浮体を設計することにより達成してもよい。このような実施形態では、上記最適化された形状（傾斜及び半径）は、動力とコストとの比を最適化した結果である。本開示に鑑みて、浮体の特定の形状、寸法、及び姿勢は、個々のＷＥＣ１００の特定のサイズ、動力要件、及び期待される動作条件により変動することは明らかであろう。平面視では、第１浮体１０８の前部サイド１０８ｂは矩形状として露出表面積を最大にし、それによってエネルギー補足を増加している。また、浮体の上面側の体積、つまり乾舷は、必要最低限の体積となるよう最適化（すなわち、乾舷の減少）することで、十分な駆動力を得つつ、過度な予備浮力を無くして存続性を向上している。上記構造でなければ過度の乾舷により過度の力が発生するが、上記構造はそのような過度の力を無くすことで（高潮を含む）全ての波の条件におけるＷＥＣ１００の継続運転に寄与する。

第２浮体１１０もまた、本開示に係る任意のサイズ、形状、体積、浮力、重量、及び／又は姿勢を有してよい。いくつかの好ましい実施形態では、各浮体は、コスト効率の良いエネルギー補足を最適化するように設計してもよい。様々な実施形態では、第２浮体１１０は、上部サイド１１０ａ、前部サイド１１０ｂ、及び後部サイド１１０ｃを有してもよい。第２浮体１１０は、いくつかの実施形態では、第１浮体１０８よりも喫水が深くなるよう設計してもよい。当該喫水は、任意の深さとなるよう選択してよいが、いくつかの実施形態では、波と接触する表面積を最小にするよう最適化され、及び／又は風、波、流れの組合せによる効果を最大にするよう最適化されてもよい。接触表面積を最大にすることにより、波の力が第２浮体１１０に作用する際のエネルギー補足が最大化され得る。第２浮体１１０の上部サイド１１０ａ及び後部サイド１１０ｃは、構造を包み込むために用いられる材料が最小となる（すなわち、コストが減る）ように設計してもよい。例えば、半円型の上部サイド１１０ａの場合、より多くの材料を必要とし、製造コストが増加する。第２浮体１１０の全てのサイド（例えば、１１０ａ〜１１０ｃ）を平面又は凹んだ形状としてもよいが、いくつかの好ましい実施形態では、わずかに膨らんだ形状としてもよい。このようなわずかに膨らんだ湾曲の場合、モールドをベースとした複合製造加工だけでなく、マンドレルに巻き付けることによる複合製造も可能である。

前部サイド１１０ｂは、いくつかの実施形態では、入射波候からのエネルギー補足を最大にするために半径及び傾斜の両方について最適化されてもよい。このような最適化は、流体力学的数値解析及び最適化技法を用いて、利用材料を最小にしつつ第２浮体１１０により伝達される動力を最大にするよう浮体を設計することにより達成してもよい。このような実施形態では、上記最適化された形状（傾斜及び半径）は、動力とコストとの比を最適化した結果である。本開示に鑑みて、浮体の特定の形状、寸法、及び姿勢は、個々のＷＥＣ１００の特定のサイズ、動力要件、及び期待される動作条件により変動することは明らかであろう。平面視では、第２浮体１１０の前部サイド１１０ｂは矩形状として露出表面積を最大にし、それによってエネルギー補足を増加しており、また、風、波、流れの組合せによる効果を最大にするよう最適化されている。また、浮体の上面側の体積、つまり乾舷は必要最低限の体積となるよう最適化（すなわち、乾舷の減少）することで、十分な駆動力を得つつ、過度な予備浮力を無くして存続性を向上している。上記構造でなければ過度の乾舷により過度の力が発生するが、上記構造はそのような過度の力を無くすことで（高潮を含む）全ての波の条件におけるＷＥＣ１００の継続運転に寄与する。

様々な実施形態では、第２浮体１１０の上記最適化形状は外形において第１浮体１０８のものと類似する。いくつかのそのような実施形態では、当該類似性により、第１浮体１０８及び第２浮体１１０を共に同じモールド及び同じ製造工程により作製することが可能となり、それによって、製造機器を複数セット設ける必要性が無くなり、製造コストがさらに減少する。第１浮体１０８を第２浮体１１０として利用するために、第１浮体１０８を左舵側から右舵側へ反転させ、底部側へ回転させてもよい。これにより、前部サイド１０８ａ、１１０ａは共に最適化された波力エネルギー補足を達成でき、後部浮体の喫水がより深くなり、また、単一のモールドから両浮体が作製されることで低コスト化できる。

上述した通り、浮体１０８、１１０は、ナセル１０２内に搭載されたＰＴＯに動作可能に結合されている。これらのＰＴＯは、いくつかの実施形態では、１つ以上の直接駆動発電機（複数可）、ギアボックス駆動型の発電機（複数可）、油圧装置（複数可）、ポンプ装置（複数可）、水ポンプ（複数可）、水脱塩装置（複数可）、空気ポンプ（複数可）、油圧ポンプ（複数可）等を含んでいてもよい。ポンプ及び油圧関連の様々な実施形態では、ドライブシャフト／ハブは、例えば、羽根車、圧縮機ロータ、及び／又はメカニカルタービンロータに直接又は間接的に接続してもよい。いくつかの発電関連の実施形態では、ドライブシャフト／ハブは、例えば、１つ以上のロータ及び／又はステータに直接又は間接的に接続してもよい。しかし、本開示に鑑みて、ナセル内に搭載されたＰＴＯ構成要素については上記構成に対する多くの代替設計案が存在し、そのような代替案は本開示の範囲内であることを理解されたい。

図２Ａは第１モジュール１１８に着目したナセル１０２の平面視断面図であり、図２Ｂは第２モジュール１２０に着目したナセル１０２の平面視断面図である。図２Ａ〜２Ｂに示す実施形態では、第１モジュール１１８及び第２モジュール１２０はそれぞれ中央モジュール１２２に接続され、スパー−ナセル接続部材２０１を覆って搭載されている。いくつかの実施形態では、第１モジュール１１８及び第２モジュール１２０はそれぞれ回転駆動式ＰＴＯを収容する。発電用途においては、このような回転駆動式ＰＴＯは、１つ以上のステータ２０６と関連して回転可能な１つ以上のロータ２０４を含んでもよい。用途によっては、ステータ２０６は独立して回転可能であってもよく、ナセル１０２に対して相対的に固定された回転位置に保持してもよい。ロータ２０４、ステータ２０６、スパー−ナセル接続部材２０１、及び／又はＰＴＯを内部に収容するモジュール１１８、１２０のそれぞれの間の相対的な回転は、ドライブ軸受２０８により達成してもよいし、１つ以上の構成要素が他の構成要素を中心に又は他の構成要素内において自由に回転できるようにするその他の軸受又は類似の機構により達成してもよい。

いくつかの実施形態では、１つ以上のロータ２０４を直接駆動シャフト／ハブ２０２、２０３と一体化してもよい。別の実施形態では、図２Ａ〜図２Ｂに示すように、ドライブシャフト／ハブ２０２、２０３は、ロータインターフェイス構造２１６を介して１つ以上のロータ２０４に接続された径方向延長部２２０に接続してもよい。しかし、本開示に鑑みて、ロータ２０４は、その他の適切な手段を介してドライブシャフト／ハブ２０２、２０３に動作可能に結合されてもよく、そのようなその他の適切な手段はギアボックス、トランスミッション、ボルト留め等を含むがそれらに限定されないことは明らかであろう。

様々な実施形態では、１つ以上のステータ２０６を、外側ナセル１０２及び／又はモジュール１１８、１２０にステータインターフェイス構造２１８を介して固定的に又は回転可能に取り付けてもよい。ロータインターフェイス構造２１６及びステータインターフェイス構造２１８は、いくつかの実施形態では、ロータ２０４とステータ２０６との間のエアギャップを制御するように設計してもよい。このようなインターフェイス構造２１６、２１８は、例えば、保持スロット、溶接継手、ろう接継手、インターフェイスフランジ、ボルト留め／リベット留めフランジ、機械レール、磁気レール、又はその他の適切なギャップ制御構造を含んでもよい。

ドライブシャフト／ハブ２０２、２０３は、概して、ドライブ軸受２０８又はその他の適切な構造を介してスパー−ナセル接続部材２０１を中心に回転してもよい。様々な実施形態では、ドライブシャフト／ハブ２０２、２０３を１つ以上のシャフトシール２１２によってモジュール１１８、１２０及び／又はスパー−ナセル接続部材２０１に対してシールして、海水及び／又は有害な異物／残骸の侵入を防止してもよい。

第１浮体ドライブシャフト／ハブ２０２は第１モジュール１１８に隣接する第１浮体ドライブアーム１１２に動作可能に結合され、第１モジュール１１８に隣接する第２浮体ドライブアーム１１４はアイドル状態とし第２浮体アイドル軸受２１４を介してスパー−ナセル接続部材２０１を中心に自由に回動可能としてもよい。浮体１０８、１１０が制約無しで３６０度回動できることが望ましい場合の様々な実施形態では、第２浮体ドライブシャフト／ハブ２０３は第２モジュール１２０に隣接する第２浮体ドライブアーム１１４に動作可能に結合され、第２モジュール１２０に隣接する第１浮体ドライブアーム１１２はアイドル状態とし第１浮体アイドル軸受２１５を介して第２浮体ドライブシャフト／ハブ２０３を中心に自由に回転可能としてもよい。そのような実施形態では、上記非対称設計を採用することにより、図１Ａ〜図１Ｇを参照して上述したように第２浮体ドライブアーム１１４及び第２浮体１１０により画定される領域内に第１浮体ドライブアーム１１２及び第１浮体１０８を配置することが可能となる。

図２Ａ〜図２Ｂは２つのＰＴＯを有するＷＥＣ１００を示したが、本開示に鑑みて、任意の個数のＰＴＯを用いてもよいことは明らかであろう。単一のＰＴＯを有する場合の様々な実施形態では、第１浮体１０８をロータ２０４に接続し、第２浮体をステータ２０６に接続し、ステータ２０６を回転可能なステータとしてもよい。さらに、ロータ２０４は固定された外側のステータ２０６に対して内側に構成したものを示したが、本開示に鑑みて、ロータ２０４は固定された内側のステータの周りに外側のロータとして構成し得るものであり、又はロータ２０４及びステータ２０６をそれらの配置に関係なく回転可能とし得ることは明らかであろう。

図２Ａ〜図２Ｂに示す実施形態を含むいくつかの実施形態では、回転駆動式ＰＴＯは大径直接駆動システム（例えば、低速高トルクシステム）であってもよい。そのようなシステムは、風エネルギーの利用と関連して実行可能な技術手法を代表するものであることが証明されており、同様の低速原理が海の場合にも当てはまる。しかし、本明細書に記載する技術は任意のタイプの回転駆動式ＰＴＯを用いて実施してもよい。そのような任意のタイプの回転駆動式ＰＴＯは、発電機（複数可）、ギアボックス発電機（複数可）、油圧発電機（複数可）、水ポンプ（複数可）、及び／又はその他の適切な回転式ＰＴＯ装置を含むがこれらに限定されない。

本開示に係る様々な実施形態では、上述したような流体力学制御システム１１６（ＨＣＳ）を含んでもよい。図３Ａ〜図３Ｄは、本開示に係るＷＥＣ１００の側面図であり、ＷＥＣ１００は、様々な長さのスパー３０２、３０４に沿った様々な箇所に配置されたＨＣＳ３０６、３０８を有する。図３Ｄは、相対的に長いスパー３０４に固定的に取り付けられたＨＣＳ３０８を示す。図３Ａ〜図３Ｃは、スパー３０２に沿った様々な位置における可動式ＨＣＳ３０６を示す。上記流体力学制御システムの位置調整には任意の機構（図示せず）を用いてよい。そのような機構は、いくつかの実施形態では、モータ駆動であってもよい。別の実施形態では、モータ駆動でなくてもよく、ＨＣＳ３０６は、動的バラスト制御と、スパーとの係合のためのブレーキシステムとを含んでもよい。そのような実施形態では、例えば、ブレーキを解除し、バラストを調整して浮力によりＨＣＳ３０６を再配置し、ブレーキをかけて当該再配置されたＨＣＳ３０６を定位置に保持することにより、ＨＣＳ３０６をスパー３０２に沿って再配置してもよい。本開示に鑑みて、上述した例は限定的なものではなく、ＷＥＣ１００を本開示に係る設計としつつ任意の個数又は組合せの適切な調整機構を用いてもよいことは明らかであろう。

図１Ａ〜図１Ｇを参照して上述したように、様々な実施形態では、１つ以上のスパー１０４、１０６及び／又はナセル１０２に取り付けられた搭乗エリア（例えば、作業台及び／又はドッキング固定具）を含んでもよく、また、いくつかの実施形態では、展開されたＷＥＣ１００への作業アクセス改善のためのナセルアクセスハッチ１２６及び／又はスパーアクセスハッチ１２８を含んでもよい。アクセスハッチ１２６、１２８は概してナセル１０２又は延在するスパーの上部領域に設けられ、それによって、アクセスハッチ１２６、１２８が概して非暴風条件において水線より上となるようにしている。また、このようなアクセスハッチは、概して、保守点検用の人員及び／又は機器がＷＥＣ１００に進入又はＷＥＣ１００から退出できるように設計して、ＷＥＣ１００の構成要素及び内部機器へのさらなるアクセスを確保してもよい。

図１Ａ〜図１Ｇ及び図４を参照して、いくつかの実施形態では、機器、バラスト及び／又は人員のＷＥＣ１００への進入／退出は、ナセルアクセスハッチ１２６、スパーアクセスハッチ１２８、及び／又はその他のハッチ若しくはエアロックであってＷＥＣ１００の他の構成要素の外観部に位置するものを介してなされてもよい。ナセルアクセスハッチ１２６はモジュール１１８、１２０、１２２の内部へのアクセスを提供してもよく、当該モジュールはＰＴＯを収容してもよく、収容しなくてもよい。内部アクセスハッチ４０２及び内部通路４０３は、いくつかの実施形態では、ＷＥＣ１００のその他の構成要素へのアクセスを提供してもよい。垂直移動が望ましい場合、内部ナセル梯子４０４を設けてもよい。本明細書では梯子を示したが、任意の適切な垂直輸送装置（例えば、エスカレータ、エレベータ、リフト、ダムウェータ等）を本開示に応じて用いてもよいし、垂直輸送装置を全く用いなくてもよいし、いくつかの実施形態では、そのような垂直輸送装置を設けること又は全く設けないことが好ましくなり得ることは本開示に鑑みて明らかであろう。

スパーアクセスハッチ１２８は、スパー１０４、１０６の内部へのアクセスを提供してもよい。いくつかの実施形態では、搭乗エリア（例えば、作業台及び／又はドッキング固定具）を１つ以上のスパー１０４、１０６の外観部に取り付けて、スパーアクセスハッチ１２８へのより簡単なアプローチを提供してもよい。内部スパー梯子４０６により、スパー内部での垂直移動を行える。しかし、本明細書では梯子を示したが、任意の適切な垂直輸送装置（例えば、エスカレータ、エレベータ、リフト、ダムウェータ等）を本開示に応じて用いてもよいし、垂直輸送装置を全く用いなくてもよいし、いくつかの実施形態では、そのような垂直輸送装置を設けること又は全く設けないことが好ましくなり得ることは本開示に鑑みて明らかである。同様に、水平通路では、レール付き天井クレーン若しくは艤装（ブロック及びテークル等）又はコンベアベルト若しくはローラ等を本開示に応じて用いてもよいし、いくつかの実施形態では、それらが好ましくなり得る。

本開示に応じて設計されたＷＥＣ１００の水中での動きを図５〜図７を参照して説明する。波の内部での水の速度を図５に示す。波動場の深い水深での粒子速度は、伝搬波の波頭に垂直な面内の３６０度全ての方向において最大振幅を示す。これらの水粒子方向のうちの２つの別々の方向を概要的にヒーブ及びサージとして記載し、それらを図５に示す。ヒーブは波動場における垂直上下方向を表し、サージは波動場における入射波の波頭に垂直な水平方向を表す。これらの水粒子速度ベクトルは水の自由表面において最大振幅となり、水深が深くなるにつれてゼロに向かって指数関数的に減少する。したがって、水の自由表面において最も強い物体間相互作用が発生する。ヒーブ−サージ平面において行われる回転の軸をピッチと記載する。エネルギー補足を最大化するためには、波力エネルギー変換装置は水の自由表面で波の３６０度全てにおいて最大振幅ベクトルによって励振可能とすべきである。このように、装置はピッチ、サージ、ヒーブとして記載される３つの自由度において自由にエネルギーを吸収可能とすべきであり、また、装置は水面又はその近くに配置すべきである。トラフ５０２では、水は、水面に隣接する箇所で最大速度を有する速度勾配に沿って全体的に逆サージ運動を行う。上方向ヒーブ５０４では、水は全体的に上方向ヒーブ運動を行う。ピーク５０６では、水は、水面に隣接する箇所で最大速度を有する速度勾配に沿って全体的に前方向サージ運動を行う。下方向ヒーブ５０８では、水は全体的に下方向ヒーブ運動を行う。

動作において、図６及び図７に示すように、ＷＥＣ１００は入射波によって励振されてピッチ、サージ、及びヒーブ運動を行い、下記に示すようなピッチ軌道パターンを生じる。時刻Ｔ１、６０２、７０２に示すように、ＷＥＣ１００はサージ運動し、それによってスパー１０４、１０６及びナセル１０２が中心６０１の右側（又は後部側）となり時計回りにピッチ運動を行う。時刻Ｔ２、６０４、７０４では、スパー１０４、１０６及びナセル１０２は反時計回りにピッチ回転して垂直姿勢となり、サージ方向左側（又は前方向）に移動する。時刻Ｔ３、６０６、７０６では、ＷＥＣ１００はサージ運動し、それによって、スパー１０４、１０６及びナセル１０２が中心６０１の左側（又は前方側）となり反時計回りにピッチ運動を行う。時刻Ｔ４、６０８、７０８では、スパー１０４、１０６及びナセル１０２は時計回りにピッチ回転して垂直姿勢となり、中心６０１のサージ方向右側（又は後部側）に移動する。これらの運動は、図６では運動の理解を助けるために誇張されている。図７では、これらの運動は拡大／縮小した運動で表されている。

実際には、これらの運動は、上述したヒーブ及びサージベクトルによって別々に記載される３６０度連続した方向において生じる。幾何学的な寸法付けが、波による励振に対するＷＥＣボディー応答の大きさに影響する。例えば、表面が大きい場合は、表面が小さい場合よりも上記ボディーに大きな力を受ける。また、ＷＥＣの慣性が異なると、波による励振に対する各自由度におけるＷＥＣボディー応答に異なる遅延が生じる。ブイ形状、ＣＧ，及び慣性の組合せは、最終的には、入射波に対するＷＥＣ応答の位相及び振幅に影響する。図７は、波周期が８．５秒の波に対するスパー１０４、１０６及びナセル１０２の位相毎の応答を数値的に演算したものを示す。装置調整を行わない場合、波の周期が異なれば、その波に対するＷＥＣ応答及び位相関係はそれぞれ異なることになる。

図７に示すように、第１浮体１０８は名目上、入射波に接近する側となるように設計されており、上記波によって力を受けてナセル１０２の中心長手方向軸心を中心に回転する。第１浮体１０８は、波の表面に追従し主にヒーブ及びサージの両方において波と同位相で応答するように設計され、その結果、ナセル１０２に対する第１浮体１０８のピッチ運動を生じる。第１浮体１０８のこのようなヒーブ及びピッチ運動は、ナセル１０２の中心長手方向軸心を中心とした第１浮体１０８の回転を生じる。ナセル１０２のピッチ運動は、第１浮体１０８のピッチ運動とは位相がずれており、これによって、これら２つのボディー間の相対回転運動の速度が増加する。この相対回転運動は上述の通り図７の時間段階Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、及びＴ４により示される。

図７にさらに示すように、第２浮体１１０は名目上、遠ざかる波に接近する側となるように設計されており、上記波によって力を受けてナセル１０２の中心長手方向軸心を中心に異なる位相で回転する。第２浮体１１０はナセル１０２に対する第２浮体１１０のピッチ運動が最大になるように設計される。第２浮体１１０のこのようなヒーブ及びピッチ運動は、ナセル１０２の中心長手方向軸心を中心とした第２浮体１１０の回転を生じる。ナセル１０２のピッチ運動は、第２浮体１１０のピッチ運動とは位相がずれており、これによって、これら２つのボディー間の相対回転運動の速度が増加する。この相対回転運動は上述の通り図７の時間段階Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、及びＴ４により示される。ナセル１０２からの第２浮体１１０までの径方向距離は、名目上、第１浮体１０８までの同距離よりも大きい。この距離は、異なる設置場所又は波候に合わせて調整可能である。

多くの実施形態では、ＷＥＣ１００を波動場に対して相対的にステーション上に保持しかつ波動場に対して相対的に所望の姿勢で保持し、及び／又はＷＥＣ１００を各波動場間で自律的に（すなわち、有人又は無人だが、曳航することなく）移動させることが望ましい。様々な実施形態では、このような機能の１つ以上を、例えば、１つ以上の係留システム又は１つ以上の推進システムを含むことにより達成してもよい。推進システムを含む場合の実施形態では、当該推進を任意の適切な推進装置（例えば、プロペラ、ポンプジェット、外車、磁気流体力学駆動等）により提供してもよい。このような推進システムは、ＷＥＣ１００の任意の構成要素（例えば、スパー１０４、１０６、浮体１０８、１１０、ナセル１０２、ＨＣＳ１１６等）に搭載してもよく、それによってヨー制御、各展開場所間の自立輸送、展開場所でのステーション保持、又は当該推進システムが使用され得るその他の目的を実現してもよい。

本開示に係る多くの実施形態では、係留システムを含んでおり、当該係留システムはＷＥＣ１００を、送電線８１０の範囲を超えることなく波動場（図示せず）に対して相対的にステーション上に保持するように設計してもよい。係留システムは、弛緩型、低柱型、中間柱型、又は高柱型の係留システムのいずれでもよく、ＷＥＣ１００に取り付ける１つ以上の係留線を有していればよい。いくつかの実施形態では、係留システムはＷＥＣ１００のヨーを波動場に対して相対的に制御するために用いてもよい。このような実施形態では、ＷＥＣ１００は係留システム８００及び／又はＷＥＣに取り付けられたベーン／舵によって受動的に姿勢を自己決定してもよい。あるいは、ＷＥＣ１００は、例えば、いずれかの係留線を短くし又は長くしてＷＥＣ１００を回転させるためのチェーン／ケーブルウィンチ等の機構（図示せず）を含んでもよいし、係留システムとＷＥＣ１００との間に回転可能なインターフェイスを含んでＷＥＣ１００が係留システムに対して相対的に回転するようにしてもよいし、又はＷＥＣ１００のヨー又はその他の位置決めを制御するためのその他の適切な機構を含んでもよい。

図８Ａに示すように、三点係留システム８００を用いて方向性を制御してもよい。図８Ｂ〜図８Ｆに示すように、一点又は二点係留システム８００を用いてもよい。このような各係留システムは、水平係留線８０２を接続点８０４においてＨＣＳ１１６と接続するように設計してもよい。しかし、本開示に鑑みて、１つ以上の水平係留線８０２をＷＥＣ１００の任意の構成要素（例えば、浮体１０８、１１０、スパー１０４、１０６、ナセル１０２等）に取り付けてもよいことは明らかであろう。図８Ａ〜図８Ｆに示す各水平係留線８０２は独立した接続点８０４においてＷＥＣ１００と接続されているが、本開示に鑑みて、各係留線は代替案として共通の接続点８０４においてＷＥＣ１００に接続してもよいことは明らかであろう。さらに、図８Ａ〜図８Ｆに示すように、各水平係留線８０２は係留ブイ８０６に取り付けてもよく、その係留ブイ８０６をさらに垂直係留線８０８に接続してもよい。本開示に鑑みて、水平係留線８０２及び垂直係留線８０８は同一の係留線として係留ブイ８０６に接続してもよいことを理解されたい。さらに、本開示に鑑みて、本明細書における係留ブイ８０６との用語は、低柱、中間柱、及び高柱ブイを含み、そのようなブイは、正負いずれの浮力を有してもよいことを理解されたい。図８Ａ〜図８Ｆの具体例では、中間柱ブイを示しており、いくつかの実施形態では、１０，０００ｌｂｓ〜１００，０００ｌｂｓの範囲の正の純浮力を有してもよい。

図８Ｆは、いくつかの実施形態に係る単一の係留脚による手法を示す。このような実施形態では、ＷＥＣ１００はＨＣＳ１１６の前方領域と、１又は複数の垂直係留線８０８、１又は複数の水平係留線８０２、及び１又は複数の係留ブイ８０６からなる単一の係留脚とにおいて取り付けられる。係留線８０２、８０８は、例えば、ケーブル、ナイロン、ポリエステル、チェーン、その他適切な材料、又はそれらの任意の組合せによって形成してもよい。ＨＣＳ１１６の前方領域に接続された上記構成の単一の係留脚は、様々な実施形態では、ＷＥＣ１００が回転して到来波の方に向くよう受動的に調整されることを可能にし得る。数値解析により、前方接続はこのような到来波の方へ受動的に姿勢決めされるというシステムの能力を向上させるということが分かっている。異なる係留線材料の使用及び異なる浮力の係留ブイの使用により、設計者は係留脚の好ましい負荷変位挙動及び最大負荷容量を選択することが可能となり得る。

図８Ｆに示すような単一脚係留により低コスト化、環境的影響の軽減、及び／又は受動的な姿勢決めを行ってもよい。しかし、いくつかの実施形態では、図８Ａに示すように三点係留を用いてもよい。様々なこのような実施形態では、ＷＥＣ１００及び係留に対して方向制御を搭載してＷＥＣを到来波の方へ回転させてもよい。

図８Ｂ〜図８Ｅは、ＨＣＳ１１６の前方領域への異なる取り付け位置８０４を示す。図８Ｂに示すいくつかの実施形態では、単一の水平係留線８０２がＨＣＳ１１６の中央に接続されている。図８Ｃ〜図８Ｅに示すその他の構成では、２つの水平係留線８０２が徐々に間隔を広げてＨＣＳ１１６に取り付けられている。このように水平係留線（複数可）８０２の間隔を広げることで、係留取り付けにおけるＷＥＣ１００のヨー安定度を変化させることができる。さらに、任意の係留線８０２、８０８及び／又は任意の数の係留線８０２、８０８をＷＥＣ１００の任意の箇所に接続してもよい。様々な発電関連の実施形態では、ＷＥＣ１００は、送電線８１０を介して電気出力先８１２に接続してもよい。送電線８１０は任意の水中路をたどるように支持されてもよく、図８Ａ及び図８Ｆに示す「ゆるんだＳ字カーブ」構成に限定されない。電気出力先８１２は、電力等を消費する電力系統、トランス、バッテリ、デバイス、機器、又は船舶を含み得るが、これらに限定されない。

１つ以上の浮体９０２、９０４が制約無しの３６０度回動が可能である場合の様々な実施形態では、１つ以上の浮体９０２、９０４が図９Ａに示すように越水し、この越水した浮体（例えば、図示する９０４）がひっくりかえってナセル９０６の後部側に来ることがある。これは、通常、大きな波によってもたらされる力によって起こる。浮体９０２、９０４は、このような位置において安全かつ動作可能であるが、このような浮体９０２、９０４は最適な動力を生み出さないことがある。動作上必要であれば、当該浮体を前方位置に戻すために何らかの方法を備えてもよい。

様々な実施形態では、図９Ａ〜図９Ｆに示すように、上記越水した浮体９０４を動的にバラストして負の浮力を与え、図９Ｂ〜９Ｃに示すように低垂直姿勢となるよう沈めてもよい。この位置から、越水した浮体９０４のバラスト除去を行って越水した浮体９０４の上部のバラスト室に浮力を与え、それによって図９Ｄに示すように前方方向に浮体を回転させるモーメントを生成してもよい。そして、越水した浮体９０４は、図９Ｅ〜図９Ｆに示すように表面の適切な位置に上昇し得る。別の実施形態では、上記バラスト手順を実施してもよいが、浮体の運動に対しては、発電機ダンピング制御を適用して補完する。このようなダンピング制御モードでは、後部側方向に回転する際には第１のＰＴＯにダンピングを行い（トルク付加）、前方方向に回転する際にはダンピングを行わない（トルク無し）。このようなダンピング制御モードはラチェット機構又はソフトラチェットと同様に動作し、越水した浮体の正しい姿勢への運動を促進する。

さらなる実施形態では、上記バラスト手順を実施してもよいが、浮体の運動に対しては、モータ動作制御を適用して補完する。このようなモータ制御モードでは、第１のＰＴＯをモータとして駆動して越水した浮体を正しい姿勢へと駆動してもよい。さらなる実施形態では、越水した浮体のバラストを完全に除去し、モータ動作制御を適用して浮体運動を補完し、第１の浮体をナセル９０６の頭上を越えて戻るように駆動し、越水した浮体を正しい姿勢へと駆動してもよい。さらなる実施形態では、浮体９０２、９０４に制約無しの３６０度回動をさせない必要性も存在し得る。そのような実施形態は、例えば、浮体の越水が許されない特別な動作状況又は展開状況を含み得る。このような必要性があるシステムでは、端止め又は制限ストラップを用いて浮体の運動を制限してもよい。

本開示に係る多くの実施形態では、スパー１０４、１０６は喫水が深く、ポートへの曳航又はポートからの曳航の際に垂直姿勢とするには深すぎる。本開示に鑑みて、浮体１０８、１１０、ナセル１０２、及びスパー１０４、１０６を海面に対して相対的に特定の位置決めを行うことは輸送及び動作の特定のモードに対して有益な結果をもたらすことを、当業者は気づくであろう。例えば、いくつかの実施形態では、ＷＥＣ１００は、名目上の動作位置とは異なる姿勢で展開又は回収するためにその動作場所に又は動作場所から曳航する必要があり得る。牽引が最小となる位置とすることで、動作可能な構成要素（例えば、浮体１０８、１１０、スパー１０４、１０６、ナセル１０２等）に輸送中にかかる不要な力を低減し得る。浮体１０８、１１０及び／又はスパー１０４、１０６の姿勢変更はバラスト又は動作条件の変化によって起こり得る。ＷＥＣ１００をポートへ又はポートから輸送する能力を向上するために、スパー１０４、１０６及びＨＣＳ１１６の底部領域は、バラストを除去して又はリフトバッグを取り付けて当該底部領域が表面へと持ち上がるように設計してもよい。このような位置においては、浮体１０８、１１０は、図１０Ａ〜図１０Ｂに示すようにナセル１０２とＨＣＳ１１６との間に位置し得る。この場合、構成要素のバラスト除去を最大限行うことで、ＷＥＣ１００の喫水が最小となり、底にぶつけることなくＷＥＣ１００を曳航できる航行可能水路を最大にできる。

同様に、存続性のために又は極度の波若しくは天候のために事前準備を必要とする場合の実施形態では、本開示に鑑みて、ＰＴＯ制御、バラスト制御、ロック機構、ブレーキ機構、ラチェット機構、又はこれらの手法の任意の組合せにより、浮体を水面よりも低くしてもよいことは明らかであろう。いくつかのそのような実施形態では、第１浮体１０８は図１０Ａ〜図１０Ｂに示すように入れ子浮揚位置へと姿勢変更され、ナセル１０２は天候に対して影となり、保護を提供し、存続性が向上する。様々な実施形態では、第１浮体１０８は上記入れ子位置において依然として動作可能となり得、エネルギーを補足し得る。さらなる実施形態では、図１０Ｄに示すように、浮体は水中の低い位置となるようバラストされ、厳しい天候又はその他の状況に対する浮体の露出を少なくしている。最も極度の天候状況において、存続性の保証のためにあらゆる対策が必要なときは、図１０Ｃに示すように第１浮体１０８及び第２浮体１１０を水でバラストして共に垂直姿勢となるよう沈めてもよい。さらなる実施形態では、環境条件によっては、浮体１０８、１１０が他の浮体により入れ子となる位置へと回転し得る。浮体１０８、１１０は、ＰＴＯ制御、バラスト制御、ロック機構、ブレーキ機構、ラチェット機構又はこれらの手法の任意の組合せにより名目上の位置に戻すことができる。

（実施例）
本開示に応じて作製されるＷＥＣ１００及びその構成要素（例えば、浮体１０８、１１０、スパー１０４、１０６、ナセル１０２、ＨＣＳ１１６等）は、任意のサイズ、形状、相対位置、又はそれらの組合せにて構成してもよい。しかし、多くの実施形態では、ＷＥＣ１００の設計（例えば、浮体１０８、１１０、スパー１０４、１０６、ナセル１０２、ＨＣＳ１１６等の様々なサイズ、位置、及び形状）を最適化して、コストに対する相対的なエネルギー出力を最大にする（例えば、エネルギーコスト（ＣＥＯ）を最小にする）ことが好ましくなり得る。ＷＥＣ１００の各設計は、ミッションパラメータ（例えば、ポンピング、データブイへの電力供給、監視ソノブイへの電力供給、石油プラットフォームへの電力供給、系統への実用規模の電気供給等）及びＷＥＣ１００が展開され得る１つ以上の波候条件に鑑みて最適化されてもよい。図１１〜図１５Ｃは、様々なミッション／気候入力に対して最適化されたＷＥＣ１００の４つの例示的構成の詳細を示す。

図１１、図１２Ａ〜図１２Ｃ、図１３Ａ〜図１３Ｃ、図１４Ａ〜図１４Ｃ、図１５Ａ〜図１５Ｃを参照して、図示する例示的なＷＥＣ１００は様々な用途に用いられ得る。最小の図示例１１０２は、１０ワット−排水量５００ポンドのシステムであり、全展開時の長さが１．４４メートル、全展開時の深さが１．７５メートルである。このようなシステムは、いくつかの実施形態では、小容量ポンプを駆動し、及び／又は低電力センサ（例えば、波計測器、温度センサ、塩分センサ、風センサ／風力計、ＲＦ／衛星通信等）に送電してもよい。本例示的な実施形態に係るＷＥＣ１００のさらなる仕様は、図１２Ａ〜図１２Ｃに示す。

第２の図示例１１０４は、１，５００−５，０００ワット−排水量１０，０００〜４０，０００ポンドのシステムであり、全展開時の長さが５メートル、全展開時の深さが６．０７メートルである。このようなシステムは、いくつかの実施形態では、排水量５００ポンドのシステム１１０２よりも幾分容量が大きいポンプ（例えば、水若しくは油）の駆動、並びに／又は様々な装置（例えば、無人水中車両の充電、自律車両の充電、自律水中車両の充電）、上述したようなセンサ、及び／若しくは様々な船舶／プラットフォーム（例えば、石油プラットフォーム）への送電を行ってもよい。本例示的な実施形態に係るＷＥＣ１００のさらなる仕様は、図１３Ａ〜図１３Ｃに示す。

第３の図示例１１０６は、２００キロワット−排水量１，４００トンのシステムであり、全展開時の長さが２３．０３メートル、全展開時の深さが２７．９４メートルである。このようなシステムは、多くの実施形態では、活動が穏やかな波動場において実用規模の電力系統又はその他の海洋エネルギー用途に用いてもよい。本例示的な実施形態に係るＷＥＣ１００のさらなる仕様は、図１４Ａ〜図１４Ｃに示す。

最大の図示例１１０８は、４００キロワット〜１メガワット以上−排水量３，０００トンのシステムであり、全展開時の長さが３１．０９メートル、全展開時の深さが３７．７２メートル。このようなシステムは、多くの実施形態では、活動が激しい波動場において実用規模の電力系統に用いてもよい。本例示的な実施形態に係るＷＥＣ１００のさらなる仕様は、図１５Ａ〜図１５Ｃに示す。

考慮されるミッション要件及び世界の波動場特性に基づき、全展開時の長さが１メートル〜３６メートル、全展開時の深さが１．５メートル〜４５メートルの範囲の形状寸法が適切となり得る。しかし、本開示に係るＷＥＣ１００は、上述の状況入力の変動に応じてより大きく又はより小さくしてもよいことは明らかであろう。

なお、上記の例は説明目的で提供したものに過ぎず、決して本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。本発明を様々な例示的実施例を参照して説明してきたが、本明細書で用いた文言は、限定のための文言ではなく、説明及び図示のための文言であることを理解されたい。現在の記載の又は補正後の添付の請求項の範囲内で、本発明の各態様の範囲及び趣旨を逸脱することなく、変更を行ってもよい。本明細書では特定の手段、材料、及び実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本明細書に開示したそれら特定の事項に本発明を限定する意図ではない。むしろ、本発明は、添付の請求項の範囲内における機能的に等価な全ての構造、方法、及び用途に及ぶものである。

（方法）
本開示の他の態様は、ＷＥＣ１００を用いて発電する方法を含む。図１６は、本開示の様々な実施形態に係る発電方法を示すものであり、当該発電方法は、浮揚性ナセルと、第１スパーと、第２スパーと、第１浮体と、第２浮体とを備える波力エネルギー変換装置（ＷＥＣ）を提供するステップ１６０２と、当該ＷＥＣを波動場に展開するステップ１６０４を含む。

様々な実施形態における浮揚性ナセルと、第１スパーと、第２スパーと、第１浮体と、第２浮体とを備えるＷＥＣの提供１６０２は、図１〜図１５を参照して上述した概念及び実施形態に応じて設計されたいずれかのＷＥＣを提供することを含んでもよい。ＷＥＣの波動場への展開１６０４は、波力エネルギー変換装置を、例えば、ＷＥＣを収容する上で適切な幅、長さ、深さを有する任意の水域（例えば、海洋、海、湾、川、湖、波付きプール等）に展開することを含んでもよい。

上記明細書では、本発明をその特定の実施形態を参照して説明した。しかし、本発明は、その趣旨又は本質的特徴を逸脱しない範囲内において、その他の特定の形態で実施してもよいと当業者は気づくであろう。したがって、上記実施例はあらゆる点において例示的なものとみなされるべきであり、本明細書に記載する発明を限定するものとみなされるべきではない。例えば、１つの実施形態の各構成は、他の実施形態に示す他の特徴と組み合わせたり適合させたりすることができる。当業者に知られた構成及び工程も同様に必要に応じて組み込んでもよい。加えて、明らかに、必要に応じて構成を追加又は省略してもよい。このように、本発明の範囲は上記説明よりもむしろ添付の請求項によって示されるものであり、したがって、請求項の等価の意味及び範囲に収まる全ての変更が本明細書に包含されることを意図するものである。

Claims (23)

1. 波力エネルギーを変換する装置であって、
   ａ）中心長手方向軸心を有する浮揚性ナセルと、
   ｂ）前記ナセルに連結された第１スパーと、
   ｃ）前記ナセルに連結された第２スパーと、
   ｄ）第１浮体であって、前記ナセルの外面と当該第１浮体の径方向遠位端とによって画定される径方向長さの範囲内において前記中心長手方向軸心を中心に回動するように配置され、第１動力取出装置に動作可能に結合された第１浮体と、
   ｅ）第２浮体であって、前記第１浮体の径方向遠位端と当該第２浮体の径方向遠位端とにより画定される径方向長さの範囲内において前記長手軸心を中心に回動するように配置され、第２動力取出装置又は前記第１動力取出装置に動作可能に結合された第２浮体と
   を備える波力エネルギー変換装置。
2. 請求項１に記載の波力エネルギー変換装置において、前記第１浮体は前記第１動力取出装置に動作可能に結合されており、前記第２浮体は前記第２動力取出装置に動作可能に結合されている、波力エネルギー変換装置。
3. 請求項２に記載の波力エネルギー変換装置において、前記第１及び第２動力取出装置はそれぞれロータ部とステータ部とを有する直接駆動発電機であり、前記第１浮体は前記第１動力取出装置の前記ロータ部に回動可能に結合されており、前記第２浮体は前記第２動力取出装置の前記ロータ部に回動可能に結合されている、波力エネルギー変換装置。
4. 請求項１に記載の波力エネルギー変換装置において、前記第１浮体および前記第２浮体の一方は、前記第１動力取出装置のロータ部に動作可能に結合されており、前記第１浮体および前記第２浮体の他方は、前記第１動力取出装置のステータ部に動作可能に結合されている、波力エネルギー変換装置。
5. 請求項１に記載の波力エネルギー変換装置において、流体力学制御システムをさらに備える波力エネルギー変換装置。
6. 請求項５に記載の波力エネルギー変換装置において、前記流体力学制御システムは、バラストタンク、プレート、成形部材、水中翼、固定重量バラスト要素、および動的バラスト要素のうち少なくとも１つをさらに備える波力エネルギー変換装置。
7. 請求項５に記載の波力エネルギー変換装置において、前記流体力学制御システムは前記第１スパー及び前記第２スパーのうち少なくともいずれか一方に取り付けられ、当該取り付けたスパーの長手方向に沿って移動可能である、波力エネルギー変換装置。
8. 請求項１に記載の波力エネルギー変換装置において、前記第１浮体及び／又は前記第２浮体はバラストタンクを備える波力エネルギー変換装置。
9. 請求項１に記載の波力エネルギー変換装置において、前記第１浮体、前記第２浮体、前記第１スパー、及び前記第２スパーは、輸送用に、前記ナセルの後方に入れ子状態とすることができる、波力エネルギー変換装置。
10. 請求項１に記載の波力エネルギー変換装置において、前記第１スパー及び前記第２スパーはそれぞれ前記ナセル及び流体力学制御システムに固定された矩形構造にて取り付けられる、波力エネルギー変換装置。
11. 請求項１に記載の波力エネルギー変換装置において、前記第１浮体および前記第２浮体のうち少なくとも一方の、前記中心長手方向軸心を中心とする回動姿勢は、動力取出装置制御、バラスト制御、ロック機構、ブレーキ機構、ラチェット機構およびこれらの任意の組合せの少なくとも１つにより調整可能である、波力エネルギー変換装置。
12. 請求項１に記載の波力エネルギー変換装置において、保守点検用人員のための搭乗エリア及び／又は保守点検用機器のための搭載エリアをさらに備える波力エネルギー変換装置。
13. 請求項１に記載の波力エネルギー変換装置において、前記第１浮体又は前記第２浮体のうち少なくとも一方の、前記中心長手方向軸心を中心とする回動運動の範囲を制限する手段をさらに備える波力エネルギー変換装置。
14. 請求項１に記載の波力エネルギー変換装置において、前記浮揚性ナセル、前記第１スパー、前記第２スパー、前記第１浮体、前記第２浮体、および流体力学制御システムのうち少なくとも１つは、１つ以上の水密性モジュールをさらに備える波力エネルギー変換装置。
15. 請求項１４に記載の波力エネルギー変換装置において、前記１つ以上の水密性モジュールはモジュール式の組立て品であって、取り外し可能であり、交換可能である、波力エネルギー変換装置。
16. 請求項１に記載の波力エネルギー変換装置において、１つ以上の係留線を有する係留システムをさらに備える波力エネルギー変換装置。
17. 請求項１に記載の波力エネルギー変換装置において、前記浮揚性ナセル、前記第１スパー、前記第２スパー、前記第１浮体、前記第２浮体、および流体力学制御システムのうち少なくとも１つに接続された少なくとも１つの方向ベーン／舵をさらに備える波力エネルギー変換装置。
18. 請求項１６に記載の波力エネルギー変換装置において、前記係留システムは当該波力エネルギー変換装置の方向制御を行うための機構をさらに備える波力エネルギー変換装置。
19. 請求項１８に記載の波力エネルギー変換装置において、当該波力エネルギー変換装置の方向制御を行うための前記機構は、ケーブルウィンチおよびチェーンウィンチの少なくとも一方によって少なくとも１つの係留線を長くし又は短くすることが可能である波力エネルギー変換装置。
20. 請求項１８に記載の波力エネルギー変換装置において、当該波力エネルギー変換装置の方向制御を行うための前記機構は、当該波力エネルギー変換装置と前記係留システムとの間に回転可能なインターフェイスをさらに備える波力エネルギー変換装置。
21. 請求項１６に記載の波力エネルギー変換装置において、当該波力エネルギー変換装置は前記係留システムにより受動的に姿勢決めされる、波力エネルギー変換装置。
22. 請求項１に記載の波力エネルギー変換装置において、前記第１浮体及び前記第２浮体は前記中心長手方向軸心の周りに３６０度全範囲に回動可能である、波力エネルギー変換装置。
23. 発電方法であって、
    ａ）ｉ）中心長手方向軸心を有する浮揚性ナセルと、
    ｉｉ）前記ナセルに連結された第１スパーと、
    ｉｉｉ）前記ナセルに連結された第２スパーと、
    ｉｖ）第１浮体であって、前記ナセルの外面と当該第１浮体の径方向遠位端とにより画定される径方向長さの範囲内において前記中心長手方向軸心を中心に回動するように配置され、第１動力取出装置に動作可能に結合された第１浮体と、
    ｖ）第２浮体であって、前記第１浮体の径方向遠位端と当該第２浮体の径方向遠位端とにより画定される径方向長さの範囲内において前記長手軸心を中心に回動するように配置され、第２動力取出装置又は前記第１動力取出装置に動作可能に結合された第２浮体と
    を備える波力エネルギー変換装置を用意するステップと、
    ｂ）前記波力エネルギー変換装置を波動場に展開するステップと
    を含む発電方法。

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