JP3211187U - 波力エネルギ変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】設置・検査・メンテナンス及び修理を容易にする低コストの波力エネルギ変換器を提供する。【解決手段】中央支持スパイン１をベースにしており、複数の可動ブレード２がスパインに固定されている。スパイン１は、一定の間隔で相互に固定された３本の実質的に平行に並んだチューブ状のパイプ３から形成されており、複数のブレード２が支持される頑丈なビームが形成されている。各ブレード２は、ヒンジ機構付きコネクタ５によってスパイン１に回動可能に固定された空洞のパドル４の形状をしている。パドル４は、実質的に直方体のブロックであるが、環境的な要求、コンポーネントの入手可能性及びコストなどの要因だけでなく、最適な力変換効率、及び／または、内部的なストレスに良好に対応する。【選択図】図１

Description

本考案は、海洋波力エネルギ変換器（marine wave energy converter）に関するものである。

再生可能エネルギに対する世界的な需要の増加にも関わらず、波浪の相当量のエネルギが利用されていない。従来の波力エネルギ変換システムは、典型的には、海底（sea bed）に配置されたり、または、フローティング・プラットフォーム（floating platform）若しくは浮き手段（means of floats）によって、海面近くで支持されていたりする。フローティングシステムは、海面に近い位置で発生する最大限のエネルギ波動を捕捉することができるが、典型的に、非常に強固な係留装置または海底に設置された垂直方向にスライドする支持具によって所定の位置に支持されていなければならない。そのような波力エネルギ変換器及びこの係留装置及び／または取付具は、しばしば極端な波浪による負荷に耐え、また、係留装置の接続部及び／または固定取付具に対する高いストレスの集中を含む、結果として発生する、構造体に対する大きな変動するストレスに耐えなければならない。海洋システムの修理の複雑さに起因して、波力エネルギ変換器は、例えば、特注設計の、ステンレス鋼またはその他の耐腐食性合金製の、巨大な耐負荷コンポーネントを用いて、そのような極端なストレス及び疲労状態（fatigue regimes）並びに過酷な海洋環境の腐食性に安全に耐えるように設計されている。結果として発生する高額の建造費用、設置費用、及び、運営費用によって、波力捕捉デバイスの普及が妨げられている可能性がある。

本考案の目的は、改良された波力エネルギ変換器、すなわち、上記の欠点を克服する波力エネルギ変換器、設置・検査・メンテナンス及び修理を容易にする波力エネルギ変換器、及び／または、従来の波力エネルギ変換器を置き換える低コストの波力エネルギ変換器を提供することにある。

本考案の第１の側面によれば、波力エネルギ変換器（wave energy converter）であって、可撓性スパイン（flexible spine）と、可撓性スパインに回動可能に取り付けられ、且つ、支持された複数のブレードとを備えており、複数のブレードのそれぞれは、波浪（ocean waves）によって角揺動（angularly oscillate）するように動作可能であり、このことにより、波力エネルギ（marine wave energy）を有効仕事（useful work）に変換することを特徴とする波力エネルギ変換器を提供する。有効仕事は、例えば、電気エネルギや、その他の機械的エネルギの形態である。

スパインは、実質的に１以上のコンジット（conduits）から構成されていてもよい。また、実質的に平行に並んだ複数のコンジットから構成されていてもよい。

複数のブレードのそれぞれは、波浪によって、可撓性スパイン内に向かって、且つ、可撓性スパインに沿って、例えば、スパインのコンジット内に向かって、且つ、沿って、作動流体（hydraulic fluid）を押し流す（drive）ようになっていてもよい。作動流体は、海水であってもよい。スパインは、タービン（turbine）に流体的に接続されていてもよい（fluidly connected）。タービンは、陸上に、または、浮力を有するラフト（buoyant raft）上に配置されていてもよい。代わりに、波力エネルギ変換器は、タービンではない他の所望の送り先に作動流体を運んでもよい。例えば、脱塩プラント（desalination plant）に海水を供給してもよい。さらに、かわりに、各ブレードは、個々の発電機を駆動してもよい。

複数のブレードは、可撓性スパインの長手方向の中心線（longitudinal axis）に沿って、間隔を空けて配置されていてもよい。２以上のブレードは、可撓性スパインの長手方向の中心線の周りに、実質的に角度的に等間隔で配置されていてもよく、また、可撓性スパインに沿って、実質的に長手方向の同じ位置に配置されていてもよい。

２以上のブレードは、可撓性スパインに沿って、間隔を空けて配置されていてもよい。２以上のブレードは、波力エネルギ変換器が設置される海洋位置（marine location）における主波長の少なくとも半分の距離間隔を空けて配置されていてもよく、少なくとも主波長の距離間隔を空けて配置されてもよく、波力エネルギ変換器が設置される海洋位置における最大波長の少なくとも半分の距離間隔を空けて配置されていてもよく、少なくとも最大波長の距離間隔を空けて配置されていてもよい。複数のブレードのうち２つは、少なくとも１５０ｍの距離間隔を空けて配置されていてもよく、少なくとも３００ｍの距離間隔を空けて配置されていてもよく、少なくとも４５０ｍの距離間隔を空けて配置されていてもよく、また、少なくとも６００ｍの距離間隔を空けて配置されていてもよい。

複数のブレードのうち２つは、波力エネルギ変換器が設置される海洋位置における主波長の半分以下の距離間隔を空けて配置されていてもよく、また、主波長の単位分数（unit fraction）の距離間隔を空けて配置されていてもよい。複数のブレードのうち２つは、１００ｍ未満、７５ｍ未満、６０ｍ未満、５０ｍ未満、４０ｍ未満、３０ｍ未満、２０ｍ未満、または、１０ｍ未満の距離間隔を空けて配置されていてもよく、少なくとも１０ｍ、少なくとも２０ｍ、少なくとも３０ｍ、少なくとも４０ｍ、または、少なくとも５０ｍの距離間隔を空けて配置されていてもよく、また、実質的に５０ｍの距離間隔を空けて配置されていてもよい。各ブレードは、他のブレードと主波長の半分以下の距離間隔を空けて配置されていてもよい。各ブレードは、他のブレードと１００ｍ未満、７５ｍ未満、６０ｍ未満、５０ｍ未満、４０ｍ未満、３０ｍ未満、２０ｍ未満、または、１０ｍ未満の距離間隔を空けて配置されていてもよく、少なくとも１０ｍ、少なくとも２０ｍ、少なくとも３０ｍ、少なくとも４０ｍ、または、少なくとも５０ｍの距離間隔を空けて配置されていてもよく、また、実質的に５０ｍの距離間隔を空けて配置されていてもよい。

スパインは、実質的に直線状（linear）であってもよい。波力エネルギ変換器は、スパインが実質的に海洋位置における主な波の速度方向（wave velocity）と平行に並ぶように、海洋位置において設置されていてもよい。

複数のブレードは、可撓性スパイン及び複数のブレードのうち少なくとも１つの海洋浮力（marine buoyancy）によって所定の深度に維持されるようになっていてもよい。また、複数のブレードの浮力は、海面の波形と実質的に一致するように、可撓性スパインを支持するようになっていてもよい。

波力エネルギ変換器は、海面の波形と実質的に一致するように、可撓性スパインの曲がりを適応させてもよく、また、海面の波形と実質的に一致するように、可撓性スパインの曲がりを与えるように構成されていてもよい。

スパインは、弾性的に可撓性を有してもよく、実質的に、ポリマー（polymer）またはポリマー系複合材料（polymer-based composite parts）から形成されていてもよく、また、実質的に、ポリエチレン（polyethylene）製でもよい。複数のブレードは、実質的に、ポリマーまたはポリマー系複合材料から形成されていてもよく、また、実質的に、ポリエチレン製でもよい。

スパインと複数のブレードの相対浮力は、ブレードを所定の姿勢（orientation）に支持する効果を有していてもよく、また、ブレードを実質的に直立（upright）の姿勢に支持する効果を有していてもよい。ブレードは、スパインに対して、正浮力を有していてもよく、また、空気を含んでいてもよい。スパインは、重くされていてもよい（weighted）。

波力エネルギ変換器は、調整可能な浮力手段（adjustable buoyancy means）を備えていてもよく、また、自動浮力調整手段（self-regulating buoyancy means）を備えていてもよい。浮力手段は、膨らませて使用するフロートであってもよく、空気圧縮ブレダ（compressible air bladders）を備えてもよく、また、空気ポンプ（air pump）を備えてもよい。

波力エネルギ変換器は、主に、ポリマー、及び／または、ポリマー系複合材料製の部品から構成されていてもよく、主に、ポリエチレン製部品から構成されていてもよい。波力エネルギ変換器は、ポリマーベアリング面（polymer bearing surfaces）を備えていてもよく、また、ポリエチレン製ベアリング面を備えていてもよい。

各ブレードは、ヒンジによってスパインに支持されていてもよい。各ブレードは、ヒンジによってスパインに支持された流体圧シリンダを駆動してもよい。流体圧シリンダは、逆止弁でスパインと流体的に接続されていてもよく、また、弱点部分（point of weakness）を介して、スパインと流体的に接続されていてもよい。各ヒンジは、ナックルヒンジ（knuckle hinge）であってもよく、解放可能なピン（releasable pin）を備えていてもよく、ポリマー対ポリマーベアリング（polymer-on-polymer bearings）を有していてもよく、また、少なくとも１つのポリエチレン製ベアリング面（polyethylene bearing surface）を有していてもよい。

スパインは、実質的に平行に並んだ２以上の細長い構造要素から構成されていてもよい。２以上の細長い構造要素は、他に対して回動可能に固定されて、各要素が相対的な軸回転が可能なようになっていてもよい。また、相互に摺動可能に固定されて、各要素が相対的な軸スライドが可能なようになっていてもよい。また、ポリマー対ポリマーベアリングで相互に固定されていてもよい。各細長い構造要素は、コンジット（conduit）でもよく、ポリマーまたはポリマー系複合材料から形成されていてもよく、ポリエチレンから形成されていてもよい。

本考案による第２の側面によれば、波力エネルギ変換器の設置・維持・検査または修理方法であって、上記の波力エネルギ変換器を準備する準備ステップと、波力エネルギ変換器を第１の海洋位置から第２の海洋位置に曳航する（towing）曳航ステップとを含む波力エネルギ変換器の設置・維持・検査または修理方法を提供する。第１の海洋位置及び第２の海洋位置のうちいずれか一方は、沖合の運転位置（operating location）であってもよく、他方は、陸上の位置であってもよい。

本考案による第３の側面によれば、波力エネルギ変換器の設置・維持・検査または修理方法であって、上記の波力エネルギ変換器を海洋位置に準備する準備ステップと、波力エネルギ変換器の浮力を調整し、波力エネルギ変換器の深度を第１の深度から第２の深度に上昇または下降させる調整ステップとを含む波力エネルギ変換器の設置・維持・検査または修理方法を提供する。第１の深度及び第２の深度のうちいずれか一方は、変換器を実質的に沈めておく運転深度（operating depth）であってもよく、他方は、実質的に変換器が沈められていない深度であってもよい。

本考案による第４の側面によれば、波力エネルギ変換器の作動方法であって、上記の波力エネルギ変換器を準備する準備ステップと、波力エネルギ変換器を第１の深度で作動させる作動ステップと、第２の深度に下降させるように浮力を調整する調整ステップとからなる波力エネルギ変換器の作動方法を提供する。第２の深度は、所望の入力波力、出力電力、ブレードの負荷、スパインの負荷、変換器内の作動流体の流体圧を得るように選択された運転深度であってもよい。第２の深度は、入力波力またはブレードの負荷を最小化するように選択された安全な深度であってもよい。浮力調整は、機械的に自動調整を行うアレンジメントによって自動的に行われてもよく、監視・制御システムによって自動的に行われてもよく、連続的に行われてもよく、また、人が介入して行われてもよい。

本考案をはっきりと理解するために、本考案の実施の態様を、例として、添付の図を参照して示す：

本考案の実施の形態の波力エネルギ変換器の一部を示す斜視図である。 本考案の他の実施の形態の波力エネルギ変換器の一部を示す斜視図である。 本考案のさらに他の実施の形態の波力エネルギ変換器の一部を示す斜視図である。 図３に示した部分を含む、本考案の実施の形態の波力エネルギ変換器の一部の斜視図である。 図３に示した部分を含む、本考案の他の実施の形態の波力エネルギ変換器の一部の斜視図である。 本考案の他の実施の形態の波力エネルギ変換器の一部を示す斜視図である。 本考案のさらに他の実施の形態の波力エネルギ変換器の一部を示す斜視図である。

本考案は、海洋波力エネルギ変換システムに関するものであり、図１乃至図７には、実施の形態を示してある。図１に示したシステムでは、中央支持スパイン（１）をベースにしており、複数の可動ブレード（２）がスパインに固定されている。スパインは、一定の間隔で相互に固定された３本の実質的に平行に並んだチューブ状のパイプ（３）から形成されており、複数のブレードが支持される頑丈なビーム（beam）が形成されている。各ブレードは、ヒンジ機構付きコネクタ（hinged connector）（５）によってスパインに回動可能に固定された空洞のパドル（paddle）（４）の形状をしている。パドルは、実質的に直方体のブロック（cuboidal block）であるが、環境的な要求、コンポーネントの入手可能性及びコストなどの要因だけでなく、最適な力変換効率、及び／または、内部的なストレスに良好に対応するために、代替的なデザインが想定される。パドルは、例えば、フォア・ストロークまたはリターン・ストローク（fore or return strokes）のいずれかまたは両方の波力エネルギをより集めやすくするために湾曲していてもよい。このことは、１つまたは両方の主要な面が、実質的に凹面（concave）になっていることを要求してもよい。

スパインに固定された第２のヒンジ機構付きコネクタ（６）は、複動流体圧シリンダ（double-acting hydraulic cylinder）（７）の基部の端部（proximal end）を支持する。複動流体圧シリンダは、シリンダ内に摺動可能に係合し、且つ、末端部がヒンジで連結された第３のジョイント（９）を介してパドルに対して回転可能に固定されたピストン（８）を有している。複動流体圧シリンダは、各端部（１０）の近くに流体接続部（fluid connections）を有している。流体接続部を通じて、従来の手法により作動流体（hydraulic fluid）が引き込まれ、ピストンが一方から他方に引き込まれると、シリンダの一方の端部から作動流体が引き込まれ、他方の端部から押し出され、またその逆も同様になるようになっている。シリンダの接続部は、ヒンジ機構付きコネクタ（５）周りのパドルの回転運動によって、パドルが動かされた方向に関わらず、取り込み口のフィルタを介して外部の作動流体をシリンダ内に引き込み、且つ、圧力によってスパインの接続されたパイプ内に作動流体を排出するように、取り込み口（intake）及びバルブアレンジメント（図示せず）を介して、スパインの平行に延びるパイプのうちの１つに流体的に接続されている。そのため、本システムが海中に設置されている場合、波の動きによってパドルが前後に動き、シリンダ内に海水を引き込み、圧力によってスパインの接続されたパイプ内に作動流体を排出する。

このようにして、複数の対になったパドル及び流体圧シリンダは、一定の間隔を空けてスパインに固定されており、等間隔で配置されたブレードの細長いアレイ（elongate array）が形成されている。それぞれは、波の動きに応じて、加圧された水（pressurised water）をスパインに押し込むことができる。スパインの接続されたパイプの一方の端部は閉じられており、他方の端部は、波力エネルギを電力に変換するジェネレータに接続されたタービンに流体を流し込む。スパインは、波の速度方向と中心線方向が揃うように維持され、複数のパドルがスパインの中心線方向と平行に並ぶように、係留装置等によって、固定された地理的な位置に保持されていることが好ましい。

いくつかの実施の形態では、スパインを構成するパイプのうち、２以上のパイプが加圧された水をタービンに運ぶことに使用されており、２以上のパイプ間で、より均等に流体を流すことによって、任意の１つのパイプの、圧力によって生じる負荷を減少させている。パイプに沿って圧力損失を最小限にすることで、エネルギ変換効率を向上させるため、一般的に、パイプの径は、大きい方が好ましい。しかしながら、小さな径の複数のパイプを使用しても、同様の利点を得ることができる。好ましいスパインの曲げ強度（bending strength）及び曲げ剛性（flexural stiffness）は、相互に固定された平行に並ぶ適切な本数のパイプを準備し、さらに、横方向に互いに対して適切な距離を空けることによって得られる。複数のパイプは、ヒンジ機構付きコネクタ（５）によって、または、他の適切な手段によって、互いに対して間隔を空けて固定されてもよい。

いくつかの実施の形態では、各流体圧シリンダの海水の取り込み口の代わりに、バルブアレンジメントを用いてスパインの２本のパイプの間のシリンダの端部コネクタを接続して、タービンから流体が戻るようにしてもよい。このようにすれば、流体圧システムは、閉ループを構成し、海水以外の作動流体を用いることができるようになる。

他の実施の形態では、流体圧システムの代わりに、各ブレードに個別の発電機（electrical generator）を備えて、波力による運動エネルギ（kinetic wave energy）を直接的に電力に変換するようにしてもよい。個別の発電機は、例えば、支持ヒンジに取り付けたり、接続してもよい。

流体動力テークオフシステム（hydraulic power take-off system）が使用されている場所では、タービンは、陸上（onshore）に配置されていてもよく、また、スパイン（またはスパインを構成するパイプの少なくとも一部、または、さらなる付随パイプ（intervening pipe））は、タービンと接続するために、陸に向かって延びていてもよい。しかしながら、波力エネルギ捕捉構造が陸上から遠く離れた位置に配置されている場合、タービンを波力エネルギ捕捉構造の近くのフローティングユニット上に支持しておき、捕捉した電気エネルギを海中ケーブルを用いて転送すれば、より効果的及び／またはコスト上有利である。過度の荷重及び／またはフローティング・タービン・ユニットと接続されたパイプの消耗（wear）を防ぐため、スパインまたは接続パイプは、例えば、タービン・ユニットの近くに複数のコイルやパイプにキンクを備えるようにして、相対的な動きに順応し且つ耐えるようにすることで、ユニットとスパインとが相対的に動くように構成されている。

このような流体圧システムの圧力は、動力伝達を最大化するように制御システムによって調整されており、タービンへの流体の流れは、流体アキュムレータ（hydraulic accumulator）によって調整されていてもよい。

好ましい実施の形態では、スパイン上の隣り合うブレード同士の距離間隔は、平均波長（mean wavelength）λ／ｎの単位分数である。ただし、ｎは２以上の整数であり、λは、頻繁に経験され、また、エネルギ的に有意な（energetically significant）波の主成分（principal wave component）、例えば、最も頻繁に発生する波長（most frequently occurring wavelength）、または、有効に波力を捕捉することができる頻繁に発生する波長のうち最小のもの（shortest frequently-occurring wavelength）である。このことによって、波によって発生した力（wave-induced forces）と、隣り合うｎ個のブレード間のモーメント（moments）がある程度相殺される助けとなる。位相（phase）内に取り付けられた複数の隣り合うブレードからの付加的な効果（additive effects）を避けることで、スパインの局部的な力（local forces）と曲げモーメント（bending moments）は最小化され、スパインに働く合力及びモーメントが最小化される。例えば、ｎ＝２の好ましい実施の形態では、スパインに働く合力がｎ＝１の場合に比べて相当小さくなり、また、スパインの曲げモーメントが、１つのブレードに働く波によって発生したモーメントを超えないように、隣りのブレードと１８０°位相がずれるように取り付けられる。このようにして中心線方向の力及び曲げモーメントを最小化することで、本システムは、少なくともスパイン及びブレードのメインの構造部品やスパインを所定の位置に固定する標準的な低コスト係留システムに、プラスチックまたはポリマー系複合材料等の比較的安価な材料を用いて、大きな波力に耐えるように安全に配慮して設計することができる。このような力の相殺効果を得るため、最も離れるブレード（例：スパインの両端）は、少なくともλ_max／ｎ、そして、好ましくは少なくともλ_maxの距離だけ離しておかなければならない。ただし、λ_maxは、構造体が耐えるように設計された最大波長であり、例えば、装置を設置する海洋位置で観測される波の最も長い波長、または、波力変換器を動作させておく海洋環境で観測される波の最も長い波長であるが、通常は、ブレードのアレイは、この値よりも相当程度長いことが好ましい。

ステンレス鋼のような工業合金（engineering alloy）製の典型的なシステムと比べて、実質的にプラスチックまたはポリマー系複合材料製のスパイン及び複数のブレードの構成部品には、様々な利点がある。例えば、ポリエチレンは、比較的安価であり、様々な径のセミフレキシブルパイプ（semi-flexible pipes）のように、標準コンポーネントとして容易に入手可能である。多くのポリマーは、不活性（inert）であり、海洋環境における多くの工業合金をはるかに上回る耐腐食性（corrosion resistance）を示す。多くのポリマーが有する靱性（toughness）及び可撓性（flexibility）のおかげで、弾性的に（resiliently）変形することで、海洋船舶による偶発的な衝突に耐えることができ、波力エネルギシステム及び船舶の双方がダメージを受けることを避けることができる。ポリエチレンのような低摩擦ポリマーは、可動部分のベアリングに使用することができ、海水によって潤滑化される。また、可動部分の密封ベアリングまたは環境負荷グリース（environmentally-hazardous grease）を必要としない。

さらに、多くのプラスチックは、軽量であるため、スパイン及び複数のブレードは、追加的な浮きや支持部を必要とせず、浮力を有する。スパイン及び複数のブレードは、空洞であることが好ましいが、いくつかの部品が中空でない（solid）ポリエチレン製であったとしても、自然に海水中で浮力を有する。スパイン及び複数のブレードは、構造体にセルフライティング性能（self-righting capabilities）を与える浮力配分（buoyancy distribution）を有するように設計されていてもよい。ステンレス鋼製の部品と異なり、バルクプラスチック材料がポリエチレンのように海洋浮力を有する場合には、空洞部分に穴が開いたり割れたりして水が入り込む場合でも、浮力及びセルフライティング性能は、実質的に維持される。逆に、ポリエチレンは、優れた靱性、耐疲労性（fatigue resistance）、及び、耐薬品性（chemical resistance）を有することから、穴が開いたり割れたりする可能性は低い。また、他の多くのプラスチックは、海洋環境において多くの工業合金が経験する可能性のある疲労や孔食（pitting corrosion）によって生じる局所的なダメージを防ぐことができる。ポリエチレン部品は、リサイクル材料から安価で製造することができ、また、使用後はリサイクルすることもでき、再生可能エネルギ分野において、システムの環境に関する訴求力を向上させることができる。

水深が増すと、波の運動エネルギ及び位置エネルギ（kinetic and potential energy）は、劇的に減少する。そのため、水面と接しているかまたはほぼ接するように、及び、一般に平均波長の半分の長さより浅い水深のように、水面近くに複数のブレードを維持できれば有利である。複数のブレードは、スパインの長さに沿って、各ブレードの望ましい鉛直方向の位置が著しく変化できるように、スパインの可撓性によって、水面を動的に追随でき、著しい波高が存在する場合でも、各ブレードを最適な水深に維持する。

図１に示したアレンジメントでは、構造体内での浮力の配分は、スパインに対するねじり拘束（torsional constraint）を必要とせず、複数のブレードの大部分が直立になるようになっている。ブレードへの横方向の負荷（transverse loading）は、ブレード及びコネクタに過負荷（overloading）を掛けるのではなく、スパインをねじる。

例えば、複数のブレードは、正浮力（positively buoyant）を有していてもよく、また、スパインは、わずかに負浮力（negatively buoyant）を有していてもよい。ポリエチレンは正浮力を有する材料であるため、コンポーネントが閉じ込められた空気を含まないとしても、構造体を水面下に沈めておく負浮力を与えるため、より高密度の（dense）材料が必要となる。複数の流体圧シリンダ（７）は、その全体またはその一部が、ポリエチレンまたはその他のポリマーまたはポリマー系複合材料製であってもよい。図１に示したアレンジメントでは、流体圧シリンダは、代わりにステンレス鋼製である。スパインに沿って適切な間隔を空けて並んだ、十分に大きく、重い流体圧シリンダは、所定の位置及び姿勢（すなわち、直立状態で、水面下または実質的に水面下）に複数のブレードを維持するように重量配分を与えることが想定される。代わりに、または、追加的に、この効果を得るために、スパインの長さに沿って配分した錘（weights）を固定してもよい。

波力エネルギ変換器の動的な浮力調整は、さらに次のような方法で得られる。例えば、スパイン構造体の浮力を変化させるように、スパインを構成する１以上のパイプ、または、内蔵の浮袋（floatation bags）もしくはスパインに沿って取り付けられた外付けの浮袋に加圧空気を送り込むようにしてもよい。この目的で使用される空気ポンプは、陸上に配置されていてもよく、スパインに取り付けられていてもよく、フローティング・タービン・ユニットが存在する場合には、その上に取り付けられていてもよい。

このような方法による浮力調整は、様々な利点がある。各ブレードの深度が波力エネルギの捕捉に最適な動力伝達が可能なように浮力を調整することができる。最適な深度は、そのときの波の状況によるため、波の状況が変化するにつれて調整されてもよい。スパインの浮力は、検査及びメンテナンスをしやするするため、構造体の全体が水面まで上昇するように著しく増加されてもよい。過度な波力が構造体を損傷させるリスクのある荒れた海では、浮力調整システムは、部分的にまたは全体的に空気を抜いたり浸水させることで、波力を大幅に減少させることができる水面下の安全な運転深度に構造体を沈めることができる。このサバイバビリティ機能（survivability feature）によって、さらにコンポーネントの必要な強度及びコストを抑えながら、システムの動作及び保守性を維持することができる。深く沈みすぎないように、浮力ブイ（flotation buoys）を備えてもよい。

このような浮力調整は、空気圧縮ブレダ（air compression bladders）を備え、ブレードの流体圧システムによって駆動される圧力制御システムを使用することで得られる。タービンの制御システム及び／または現在の波力の暗示（indicative）によって部分的に制御される、スパインを構成するパイプ内の圧力がシステムの浮力に影響する自律型のもの（autonomous）であってもよい。例えば、圧縮ブレダは、スパインを構成するパイプ内、または、パイプと流体的に接続されたタンク内に取り付けられていてもよい。流体圧を減少させるとブレダが広がり、構造体の浮力が増加する。例えば、安全動作限度（safe working limit）を超えて圧力を増加させると、バッグが収縮し、浮力が減少して、構造体は、より安全な運転深度に沈む。

陸上から遠隔の位置に設置するため、多くの従来の波力エネルギ変換器は、設置及び修理が困難である。本考案による浮力構造やさらに改良された浮力調整性能によれば、曳航することにより、簡単に移動することができる。したがって、デバイスは、陸上または陸の近くで全体または一部を組み立てて、浮かべて予定の沖合の位置に移動し係留装置と接続することができる。同様にして、修理のために、係留装置との接続を解除して、浮かべることができる。

構造体が自身の浮力によって自立する（self-supporting）ように設計されているため、垂直に支持する必要がない。さらに、ブレードの間隔が、スパインに対する力を相殺する効果を得られるように選択されているため、スパインに対する中心線方向の合力（resultant axial force）は、最小限である。スパインが可撓性を有し、且つ、回動可能であるため、スパインが、横方向の動きではなく、ねじれたり回転したりすることによって、ブレードに対する横方向の負荷が分散される。結果として、従来の波力エネルギシステムの係留装置及び取付具に必要とされた物理的な要求（physical demand）と比較して、係留装置及び／またはその他の係留部または支持部には、主に、構造体が漂流することを防ぎ、波の進行方向に対するスパインの正しい姿勢を維持することが要求される。したがって、本考案のための係留装置及び／またはその他の係留部または支持部に要求される強度は、比較的低く、この目的のために、標準的な低コストのコンポーネントを使用することができる。

図１に示したアレンジメントは、主にポリエチレン製である。海洋における局所的なストレスを最小化するため、スパイン（１）は、３本以上の中〜高密度（medium- or high-density）のポリエチレン製パイプから形成されている。これらは、ヒンジ機構付きコネクタ（５，６）によって互いに対して間隔を空けて固定されている。コネクタは、がっちりした（chunky）弾性を有するポリエチレン製のブロックであり、大きな負荷に耐え、且つ、局所的に高いストレスが集中することを防ぐようにパイプとパドルの間の力を分布的に（distributed manner）追従的に（compliantly）伝達するように作られている。ヒンジ機構付きコネクタブロックは、ブロッククランプ（block clamp）または環状ホースクランプアレンジメント（circumferential hose-clamp arrangement）を組み合わせる等の締りばめ（interference fit）によってパイプに固定されていてもよい。しかしながら、好ましい実施の形態では、コネクタブロックは、パイプの近くに固定されてはあるが、外周にぴったりとは固定されていない状態であり、上記のクランプアレンジメントやその他の適切な手段によってパイプに固定された、図示しないプラスチック製の係止部（stops）を越えてまたはその間に、中心線方向当接（axial abutment）により所定の位置に固定されている。このように、パイプに中心線方向係止手段を使用した自由度の高い接続を用いることで、複数のパイプとヒンジ機構付きコネクタを他の角度には自由に（other degrees of freedom）しっかりと締結する一方、中心線方向のトルクが、各パイプに伝達されることを防ぐ、または、減少させることができ、また、パイプが摩擦により過度に摩耗することを防ぐことができる。さらに、どのようなパイプの剛性及び強度であっても、強固に固定されたコネクタによる場合よりも、スパインが弾性を有し、ねじりが可能であり、海洋の波による横方向の負荷、及び、海面の線（ocean surface contours）に合わせて、一貫したスパインまたはブレードの深度を得るため、浮力を吸収することができる。一般的に、適切な代替締結手段を用いることが可能であるが、コネクタ及び他の構造要素は、パイプを破壊（disruption）せずに部品を取り外しまたは交換できるように、パイプに対して、取り外し可能に固定されている；曲げ制限（flexural constraint）、ストレスの集中、スパインに対する不必要な負荷を最小化するため、パイプに対して、ゆるく、回転可能に、及び／または、追従的に固定されている；パイプの構造的完全性にダメージを与えない；パイプの接触部に接続部またはジョイントを必要としない、連続する長いパイプに取り付けられることが好ましい。ヒンジ機構付きコネクタ（５，６）のような構造要素は、パイプに対して溶接されていないことが好ましく、また、ブレードまたはヒンジ機構付きコネクタを固定、取り外し、または、交換するのに、スパインを構成するパイプの接続を外す必要がないことが好ましい。

流体圧シリンダ（７）、パドル（４）及びそれぞれのコネクタブロック（５，６）を相互に固定する各ヒンジ（１２）、及び、コネクタブロックとスパインを構成するパイプ（３）の間の各ねじり非結合ベアリング（torsionally-decoupled bearings）（１４）は、滑らかな、ポリエチレン対ポリエチレンのベアリングインターフェース（polyethylene-on-polyethylene bearing interface）を有している。これは、耐摩耗（wear-resistant）であり、且つ、海水によって膜潤滑（film-lubricated）されて、転がりベアリング（rolling bearings）、グリース、密封ベアリングカプセル（sealed bearing capsules）を必要とせずに、単純な、頑丈な（robust）、耐摩耗性（hardwearing）のベアリングインターフェースを得ることができる。全てのスライド及び／または回転インターフェースで水によって潤滑されるポリエチレン製ベアリング面が使用されることが好ましい。

各ヒンジ（１２）は、ヒンジピン（１６）を形成するポリエチレンまたはポリエチレンコーティングされた軸部を含んでいる。ヒンジによって耐えられる大きな負荷、及び、一般的な金属製のヒンジと比べて比較的高い可撓性と低い強度を有するポリエチレン製の軸部を考慮すると、各軸部に対するせん断ストレス及び曲げストレス（shear and bending stresses）を最小化して、過度のストレス及び摩耗を防ぐべきである。そのため、軸部の最大スパン（maximum span）は、例えば、ナックル継手（knuckle fittings）を用いて最小にする。図１に示したように、各パドルの根元にあるヒンジ機構付きコネクタ（５）は、互いに噛み合うナックルヒンジ・アレンジメント（interdigitating knuckle hinge arrangement）を有しており、蝶番ヒンジ（piano hinge）のように、同じ軸に沿って複数の短いスパンのものが備えられている。互いに噛み合うナックルヒンジ（１２）は、ねじりの負荷（torsional loading）に対して非常に強く、特に、著しいねじり負荷（twisting loads）を受けるパドルを支持するのに適している。ポリエチレン製の軸部及びヒンジは、適切に設計することで、従来海洋構造体で使用されたスチール製のベアリングと比べて、材料費及び組み立て費の両方の観点で、また、激しい海洋環境に適合する水潤滑（water-lubricated）、耐腐食、及び耐摩耗ジョイントの寿命（longevity）の観点で、著しいコスト削減が可能である。さらに、従来の密封ベアリングと異なり、軸部は、ヒンジから容易に解放及び取り外しが可能であり、ブレードまたはシリンダの迅速な設置、取り外し、または交換が容易になる。

合金と比べてポリマーコンポーネントを使用する利点は、典型的には、ポリマーが他の材料と接触している場合に、電食（galvanic corrosion）のような有害な電気化学的効果（detrimental electrochemical effects）がないことである。そのため、多くのコンポーネントにはポリエチレンが好ましいが、不利な化学反応（adverse chemical reaction）を伴わないで、金属部品と接触する箇所に配置されるだけでなく、典型的には、他のポリマー及びポリマー系複合材料と組み合わせて、または、他のポリマー及びポリマー系複合材料によって置き換えてもよい。例えば、ナイロン製のヒンジベアリングや流体圧コンポーネント及び係留コネクタのようないくつかの特殊部品は、必要に応じて、または、好ましくは、ステンレス鋼またはその他の合金製であることが期待される。

個々のブレードや流体圧シリンダの機械的な故障によっては、システム全体の故障にはならず、また、システムの動作は妨げられない。そのため、シリンダとスパインを構成するパイプの接続部には、スパインに近接して設置された逆止弁（non-return valve）が備えられている。ホース（hose）またはそのバルブとの接続部には、ホースやシリンダに機械的な故障や深刻なダメージが生じた場合でも、バルブと、スパインを構成するパイプとが破損しないように（intact）、破損点（point of failure）が備えられており、スパインを構成するパイプ内及び逆止弁の下流側の流体圧を維持する。さらに、バルブがあることによって、ブレード及びその流体圧シリンダの設置、取り外し、交換の際に、スパインを構成するパイプ内を通る流れを止める必要がない。代わりに、または、追加的に、複数のブレードからなる複数のグループは、スパインを構成する個々のパイプと関連付けられていてもよい。このようにすれば、メンテナンスや修理のために１つのパイプが取り外された場合、パイプが切り離されている間、１つのブレードのサブセットのみが無駄となる。さらに代わりに、または、追加的に、各流体圧シリンダをスパインに流体的に接続するバルブ及びホースのアレンジメントは、スパインの２以上のパイプ間に、流体の流れを切り換える切換手段（means for switching）を含むことができる。このようにすれば、設置、メンテナンス、または修理を行おうとしているパイプへ流体が流れないよう流れの方向を変えることができ、また、使用可能なブレードの動作を妨げることなく、作業を行うことができる。

図２に示した第２のアレンジメントでは、スパイン（１）に沿って、複数のブレード（２）が２つ１組で対称的に取り付けられていること以外、図１に示した例と実質的に同じである。ヒンジ機構付きブロック（５，６）は、両サイドにヒンジを有し（double-sided）、連続する対向する対のパドル（４）、及び、それぞれのパドルが接続される流体圧シリンダ（７）を支持するようになっている。そのため、所与の長さのパイプに沿って、２倍のパドルが取り付けられており、所与の波の速度で、２倍までの電力を供給することができる。しかしながら、図２に示した２ブレードシステム（two-bladed system）の利点は、スパインの長手方向中心線と平行に進む波がブレードに当たると（experience）、スパインは、対のブレードによって対称的に負荷がかかり、パイプに対する中心線方向の負荷が２倍になり、曲げモーメントが相殺される。したがって、スパインが波の流速方向と平行に並ぶように維持されれば、図１に示した１ブレードアレンジメントに比べて、著しく小さく及び／または弱いスパインで、波によって発生した所与の動作負荷を耐えることができる。複数のブレードを１波長の半分の長さよりも短い距離間隔を空けることによって得られる相殺効果に加えて、この曲げモーメント相殺効果によって、比較的可撓性を有する低コストのコンポーネントを用いて、波力エネルギを費用対効果高く捕捉することができる。

複数のブレード（２）は、スパインのいずれかの側に配置されており、個々の垂直ヒンジ軸（１４）で、それぞれ、ヒンジ機構付きコネクタブロック（５）に固定されて、水平方向に回動する。代わりのアレンジメントでは、複数のブレードは、スパインの上下に配置されている。さらなる実施の形態では、コネクタによって支持されるブレードの数は、２つより多くてもよい。例えば、約１２０°の角度間隔で３つのブレードを取り付け、同様の曲げモーメントの相殺効果を得るようにしてもよい。

図３に示した第３のアレンジメントでは、円筒状コネクタブロック（１６）によってスパイン（１）に取り付けられたブレード（２）を備えている。このアレンジメントは、ブレードがスパインの中心線と垂直である必要のない軸を中心に回転するようにヒンジで固定されていること以外、上述のアレンジメントと同様に機能する。ブレードは、ポリエチレンパイプ製のチューブ状のフレーム（２０）の形状をしており、それぞれが互いに噛み合うナックルヒンジ（１２）でコネクタに固定された１対のシャフト（shaft）を備えている。閉じられた部分はシャフトによって支持されており、矩形状のプレート（１８）を囲むことで、パドルが形成されている。上述のように、波によって生じたパドルの動きによって、スパインのパイプ（３）を介して、海水をタービンに押し込む。本実施の形態は、スパインが波の軌跡（trajectory）と平行に並ばない場所で使用されることが想定されている。ブレードの根本にあるヒンジは、ヒンジの軸が予測される波の速度方向に対して垂直になるように、所望の位置でコネクタに取り付けられている。

図４には、図３に示したブレード（２）が環状に支持されるように、スパイン（１）のパイプ（３）が閉ループ（closed loop）を形成している実施の形態を示してある。波の主な進行方向の動きを捕捉するため、全てのブレードが同じ方向を向くように並べられている。海水またはその他の作動流体が、１つまたは両方のパイプ内を循環し、１以上の小型タービンを駆動する、または、陸上の若しくはフローティング・タービン・ユニットに向けられる。環状に形成されていることにより、直線状のスパインのアレンジメントの場合に比べて、安定度の高い、比較的頑丈な構造を有する、強度の高いベースを得ることができる。図５には、スパイン（１）がＶ字形を形成する、さらなる構成を示してある。このアレンジメントによれば、下流ブレードの各ブレードが起きる（wake）ことによって生じる影響を最小化する、互い違いにされた（staggered）ブレード・アレイを得ることができ、各ブレードによって捕捉するエネルギを最大化でき、及び／または、下流ブレードの逆に作用する動的負荷によるリスクを低減することができる。

図６及び図７に示した２つのアレンジメントでは、図１に示したシステムと機能面において似通っている。両アレンジメントでは、ブレード（２）は、ポリエチレンパイプ等のポリマーチューブから形成されたチューブ状のフレーム（２０）と、フレームに１以上の中空でない、または、空洞のパネル（２２）とが組み合わされており、パドルが形成されている。図６に示した例では、パドルは、チューブ状フレームの中央支柱（central strut）（２４）によって補強されている。図７に示した例では、ブレード（２）毎に、また、スパイン（１）を構成する、２つの間隔を空けて配置されたパイプ（３）のそれぞれに接続された２つの流体圧シリンダ（７）が備えられている。このアレンジメントでは、各ブレード（２）のチューブ状フレーム（２０）、クロス部材（cross-member）（２６）、及び、ブレードの根本をスパイン（１）を構成するパイプ（３）に固定するヒンジ（２８）は、実質的に、標準的な、安価なポリエチレンパイプ及びパイプ接続具とから構成されている。

上述のアレンジメントのいかなる特徴部分も、当業者にとって明らかなように、互換性をもって組み合わせ可能である（combined interchangeably）。上述の実施の形態は、例示としてのみ示してあるものである。添付の請求の範囲によって定義される考案の範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることができる。

Claims (18)

1. 波力エネルギ変換器であって、
   スパインと、
   前記スパインに回動可能に取り付けられ、且つ、支持された複数のブレードとを備えており、
   前記複数のブレードのそれぞれは、前記スパインの長手方向の中心線と平行に進む波浪によって角揺動するように動作可能であり、このことにより、波力エネルギを有効仕事に変換するようになっており、
   前記スパインは、弾性的に可撓性を有しており、１以上の細長い構造要素と、前記スパインの連続する長さに沿って取り付けられた複数のコネクタとを備えており、
   前記１以上の細長い構造要素は、コンジットであり、
   前記複数のブレードのそれぞれは、前記スパインの長手方向の中心線に対して垂直に延びるヒンジ軸を中心に回動するように、前記コネクタによって回動可能に固定されていることを特徴とする波力エネルギ変換器。
2. 前記スパインは、実質的に２以上の前記細長い構造要素から構成されており、
   前記２以上の細長い構造要素は、実質的に平行に並んでおり、且つ、前記スパインに沿って一定の間隔で並んだ前記複数のコネクタによって、横方向に互いに対して間隔を空けて固定されて、弾性的に可撓性を有するビームを形成している請求項１に記載の波力エネルギ変換器。
3. 前記複数のブレードのそれぞれは、波浪によって、前記スパイン内に向かって、且つ、前記スパインに沿って、作動流体を押し流すようになっている請求項１または２に記載の波力エネルギ変換器。
4. 前記作動流体は、海水である請求項３に記載の波力エネルギ変換器。
5. 前記スパインは、実質的に１以上のコンジットから構成されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の波力エネルギ変換器。
6. 前記複数のブレードは、前記スパインの長手方向の中心線に沿って、間隔を空けて配置されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の波力エネルギ変換器。
7. ２以上の前記ブレードは、前記スパインの長手方向の中心線の周りに、実質的に角度的に等間隔で配置されている請求項１乃至６のいずれか１項に記載の波力エネルギ変換器。
8. ２以上の前記ブレードは、前記スパインに沿って、実質的に長手方向の同じ位置に配置されている請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波力エネルギ変換器。
9. ２以上の前記ブレードは、前記スパインに沿って、間隔を空けて配置されている請求項１乃至８のいずれか１項に記載の波力エネルギ変換器。
10. 前記複数のブレードのうち２つは、前記波力エネルギ変換器が設置される海洋位置における主波長の半分以上の距離間隔を空けて配置されている請求項１乃至９のいずれか１項に記載の波力エネルギ変換器。
11. 前記複数のブレードのうち２つは、前記波力エネルギ変換器が設置される海洋位置における主波長の半分以下の距離間隔を空けて配置されている請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の波力エネルギ変換器。
12. 海面の波形と実質的に一致するように、前記スパインの曲がりを適応させる請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の波力エネルギ変換器。
13. 前記複数のブレードは、前記スパイン及び前記複数のブレードのうち少なくとも１つの海洋浮力によって所定の深度に維持されるようになっている請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の波力エネルギ変換器。
14. 前記複数のブレードの海洋浮力は、海面の波形と実質的に一致するように、前記可撓性スパインを支持するようになっている請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の波力エネルギ変換器。
15. 前記スパインは、実質的に、ポリマーまたはポリマー系複合材料から形成されている請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の波力エネルギ変換器。
16. 前記複数のブレードは、実質的に、ポリマーまたはポリマー系複合材料から形成されている請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の波力エネルギ変換器。
17. 実質的にポリマー及び／またはポリマー系複合材料の構成部品から構成されている請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の波力エネルギ変換器。
18. 実質的にポリエチレンの構成部品から構成されている請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の波力エネルギ変換器。

Images