JP4299132B2 - 波力エネルギーを利用する構成物および装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に定義される、波力エネルギーを利用する構成物に関する。

本発明は、また、請求項４の前提部分に定義される、波力エネルギー利用装置に関する。

風が吹くと、長期間、同一方向に波が形成される。深海では、風の影響下で発生した波は、風力および風が吹いている期間により決定される一定の特徴、すなわち平均波長Ｌ、および高さ（すなわち振幅）を有する。波がより浅瀬の方へ進むにつれて、波の下側の水の作用により、波の波長は短くなり、波高は増加する。波（振幅）が、特定の波長に依るある水深で十分な高さに達すると、波は砕ける。この、波が砕ける水深は、学問的に「ブレイクライン」と呼ばれる。なお、波のブレイクラインは一定ではなく、波長および振幅にある程度左右される。また、波長および振幅も、風条件によって左右される。ブレイクラインは、通常、一般的な波長の１／５から１／４程度である。一般的な風条件は、普通、おおよそ同じなので、波のブレイクラインは、海岸の特定の位置において大抵の場合は同じままである。

図３は、海岸近くの海等における水塊に対する波の影響を示すものである。波長Ｌを有する波は、深度Ｌ／２においても依然活動するといったように、波動活動深度Ｚは、その波長により決定される。図３の領域Ｃ、すなわち、深海では、水塊の各点の軌道は円形である。水深Ｈは、波の波長Ｌと比較して大きく、すなわち、その比は、１／２〜∞の範囲である。波がより浅瀬の方へ進むにつれて、その振幅は増加し、波長は減少し、水深に対する波長の比率は増加する。中水深域、図３の領域Ｂにおいて、水深Ｈは、一般的な波長Ｌの約１／２０から１／２である。水塊は、表層において円運動を行なうが、水底に向かって進むにつれて、水塊の各点の軌道は当初楕円になり、更に、深く進むと、楕円形の点軌道が増加し、最終的に、水底付近では、水塊の各点は、往復運動に概ね従った軌道を有する。浅瀬、すなわち、図３の沿岸領域Ａでは、水深Ｈの一般的な波長Ｌに対する比率は、０〜１／２０である。一方、ブレイクラインは、１／５から１／４である水深にある。浅瀬では、波動活動はずっと続いて底まで達し、水塊は楕円運動を有している。

波の運動エネルギーを回収する種々のシステムが開発されている。通常、それらシステムは、本体が水面に浮かび、波により動くものである。水面に浮かぶ本体の運動エネルギーは、何らかの方法で、水面上あるいは水面下に配置された発電機あるいは圧縮シリンダ内に回収され、そこから、エネルギーは、その適用対象物に移送される。

国際特許出願公開ＷＯ９８／１７９１１号公報 米国特許４,００１,５９７号公報

上述の型の波力エネルギーを回収する為の既知のシステムによって生じる主要な問題は、その配置位置に関係する。荒海では、水面上の構造物は、常にダメージに晒されている。このダメージの危険の為、これまでに建設された波力エネルギーを利用する発電装置は、比較的低出力である。

また、波から運動エネルギーを回収するためのシステムとして、湖や海などの水底に固定されたものも知られている。そのようなシステムは、国際特許出願公開ＷＯ９８／１７９１１号公報記載の装置に代表される。この装置は、水底に取付けられており、波によって揺動するプレートから波力エネルギーが回収される。プレートは、部分的に水面に達している。該装置は、波のブレイクラインと浅瀬との間の領域の水底に設置されている。この装置は、波のブレイクラインにおける位置の問題がある。ブレイクラインでは、波の運動、ひいては得られるエネルギーは、不規則であり、連続したエネルギー生産には不適切である。プレートが部分的に表面準位上にあるので、装置は、荒海のダメージに晒される。米国特許４,００１,５９７号の明細書にも、ポンプ・ユニットが海底に固定された、波力エネルギー回収システムが記載されている。ポンプ・ユニットは、浅瀬に配置され、圧力プレートが水面あるいは水面のわずかに下に達している。このシステムも、圧力プレートの位置の問題を含んでいる。システムは、荒海において、穏やかな条件下の水面下にあるとしても、少なくとも一部が水面上にあり、結果的にダメージに晒されている。また、このシステムの位置は、浅瀬における波の運動は、規則的なエネルギー生産を達成するには、不規則すぎるという第２の問題を生じさせる。

本発明の課題は、以上のような従来技術の不都合を解消することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

従って、本発明の第１の主要な目的は、波に係る運動エネルギーを、風の状態に関係なく高効率かつ可能な限り規則的に回収する方法を提供することにある。これは、構成物が一般的な水面上の気象条件により生じる波力エネルギーの変動を最適に縮小することを目的とすることを意味する。

本発明の第２の主要な目的は、気象条件に晒されることにより生じるダメージを最小にする、波の運動エネルギーを回収するための構成物を用いる装置を提供することである。

本発明は、波力エネルギーを利用するための、請求項１の前提部分に定義される構成物に関する。本発明の構成では、水底付近での水塊の往復運動が、本体あるいは本体の一部を水底に対して動かすようになっている。上記本体は、中水深域（図３の領域Ｂ）において、その一端が、水底に取付けられていて、その全体が水中に配置されている。また、中水深域の波のブレイクラインよりも深い深さで、本体の全体が、水塊（５）の各点の運動が往復運動あるいは楕円運動となる深さ領域に位置するように、該本体の下端を水底（６）に取付けられている。本体あるいはその一部の運動エネルギーは、エネルギー貯蔵部に回収され、ここからエネルギーが適用対象物に移送される。

水塊の運動は、好ましくは、板状本体を動かすようになっていて、水塊の運動エネルギーは、実質的に、圧縮シリンダ等の水面下のエネルギー貯蔵部に回収される。

本体は、水塊の運動が実質的に楕円の往復運動である深さに完全に位置するように水底に取付けられている。より好ましくは、本体は、水塊の運動が実質的に往復運動をしていて、水塊のエネルギーが実質的に一定である深さに配置されている。

次に、本発明の装置は、水塊の往復運動下で全体的あるいは部分的に動作可能に配置された本体と、本体あるいはその一部の運動エネルギーをエネルギー貯蔵部に保存するための手段と、当該エネルギーをエネルギー貯蔵部から適用対象物に移送させるための手段と、を備えている。本体は、波のブレイクラインよりも深い深さで中水深域の水底に取り付けられ、且つ、水底に取付けられたときに、本体の全体が、水塊（５）の各点の運動が往復運動あるいは楕円運動となる深さ領域に位置するように、完全に水没する。該本体は、水塊の往復運動あるいは楕円運動化で全体的あるいは部分的に動作する。

本発明の好適な実施形態では、本体は板状であり、その一端が、水底上の土台に取付けられている。

本発明の第２の好適な実施形態では、本体あるいはその一部は、水の固有の重さよりも軽い。

本発明の方法およびそれに用いられる装置は、従来から知られた波力エネルギーを利用するシステムおよび装置を越える明らかな利益を達成する。

この意味で、適用の対象は、水力タービンの集合体のような、エネルギーを別の形態のエネルギーに変換する装置としてもよい。

この意味で、「水底に取付けられた本体」の定義は、本体を、例えば取付ラグを用いて底に直接取付けたもの、および、本体を、例えば独立した土台を底に固定して、間接的に取付けたものの両方を意味する。水盆は、湖、海等である。

本発明は、中水深域における底付近での横波のエネルギーが、水面波のエネルギーと概ね等しく、時として、水面波のエネルギーを越えるという驚くべき観察に基づく。このエネルギーは、主として運動エネルギーとして現れる。本発明は、この運動エネルギーを利用するのである。

図３に示すように、浅瀬における水塊の任意の点は、楕円あるいは円運動を有している。すなわち、位置エネルギーおよび運動エネルギーの両方を有している。現行の波力発電装置は、ほとんど全てが、上述の、波のブレイクラインと浅瀬Ｃの間の領域で運転するように考えられている。なぜなら、波は、この領域において、その高さに依る最大の位置エネルギーを有するからであり、ほとんどのシステムは、この位置エネルギーを何らかの形で利用することを目的としているからである。しかしながら、浅瀬で波のエネルギーを利用することは、特に、浅瀬における構造物が、即座に過酷な気象条件に晒される水面に必然的に非常に近いことを考慮すると、著しく困難である。さらに、浅瀬における水塊は、図３に示すとおり、多かれ少なかれ（楕円）回転しており、常にある程度の波が交差しているので、エネルギーの発生は不規則である。

一方、本発明は、領域Ｂすなわち図３の中水深域において、水塊の運動により、水底に取付けられた本体あるいはその一部を動作可能にするという特徴に基づいている。本体は、完全に水面下にあり、好ましくは、水塊の運動が主として往復運動であるか、または、規則的な楕円形を有する深さにある。この構成により、多数の重要な利点が達成される。
・中水深域において、水塊の任意の点の動きは、実質的に往復運動をしていて、その結果、水塊は、主として運動エネルギーのみを有している。従って、浅瀬の配置された既知の波力発電装置と異なり、水塊のエネルギーは一定のままである。水塊は、任意の中心に対して規則的な運動を有しているので、水底に固定された装置は、水面上に部分的にあるいは全体的に配置された装置に比べて、より規則的にエネルギーを発生することが出来る。
・中水深域においてエネルギー発生に用いられる本発明の装置は、水面上で一般的な気象条件や、水塊の回転運動に晒されないので、上述の浅瀬におけるエネルギー発生システムのように容易には損傷しない。装置に含まれる圧縮シリンダ等のエネルギー貯蔵部は、完全に水中に位置していることが好ましく、それにより、装置に対するダメージの危険性がさらに減少する。

中水深域において、水底の波によって頻繁に動く水塊は、浅瀬における波とほとんど等しいエネルギーを有していて、時に、浅瀬における波よりも高いエネルギーを有している。これは、浅瀬の波においては、水底の障害物により発生する交差波が常に存在するという事実に起因する。この状況では、浅瀬の水底に完全に水没した状態で配置された装置は、浅瀬において部分的に水面上で動作している波力発電装置とほとんど同量のエネルギーを波から回収することができる。こうした理由から、水中で動作する波力発電装置は、水上で動作する波力発電装置より大規模かつ高効率に構成することができる。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。

図１の装置の主要部は、エネルギー貯蔵部として作用する圧縮シリンダと、底上の土台に取付けられた回動可能なプレートと、該プレートに接続された圧縮シリンダのピストンである。

図２の揚水機構は、この場合も、エネルギー回収ユニットと、空気吹出しシステムとを備えていて、図１の圧縮シリンダからの圧縮空気が供給される。

図１及び図２に示される装置と揚水機構について、以下にさらに詳細に説明する。装置の位置は図３に示されており、本発明の概要と、従来技術およびそれと本発明との違いの説明について言及している。

図１に示す装置１は、中水深域の水底６に取付けられた土台４を有している。水底６は、水面から距離Ｈにある。この沿岸地域で一般的な風条件では、波は、波長Ｌを有し、水深Ｈの一般的な波長に対する比率は、１／２０から１／２の範囲であり、すなわち、図３の領域Ｂ（中水深域）である。装置のエネルギー生成部、すなわち、本体２およびそれに接続された圧縮シリンダ３は、その全体が深さＨ１の水面下に取付けられている。そこでは、波によって発生する水塊の動きは、依然、主として往復運動である。波動活動深度は、その波長Ｌの約半分である。

板状本体２は、その下端が玉継手２；２１を介して、土台４の第１端の溝４；４１に回動可能に取付けられている。本体の長さは、一般的な波長Ｌの約１／３である。本体の頂部には、水の固有の重さより軽量のフロート２３がある。圧縮シリンダ３の圧力タンク３１は、土台４の他端の固定用ラグ４；４２に回動可能に取付けられている。圧縮シリンダ３のピストン３２は、その一端が、板状本体２の固定用ラグ２２に取付けられている。板状本体２とピストン３；３２との角度は、本体が波に同調するにつれて変化するので、ピストンは、固定用ラグ２２に回動可能に取付けられていて、板状本体とピストン３；３２が互いに対して一定の範囲内で動けるようになっている。普通の空気が圧力シリンダ３の媒体として使用されている。空気は、水面５；５１に至る第１のエア・ホース３３；３３ｂを介して圧力タンクに吸引されている。空気は、圧力タンク３；３１から第２のエア・ホース３３；３３ｂを介して適用対象物に導かれる。

図２は、図１の装置１で生成された圧縮空気を利用する揚水機構７を示す。揚水機構のエネルギー回収用ユニット８は、水圧タービン８１と、水圧タービンに接続された集積手段８２および水面に至る導管８３を備えている。一方、揚水機構内の空気吹出しシステム９は、空気収集タンク９１を備え、空気収集タンクから通気管９２が導管８３に通じている。圧縮空気は、図１の圧力タンクから導き出されている第２のエア・ホース３３；３３ａを介して空気収集タンク９１に導かれる。空気収集タンク９；９１は、拡散手段（図示せず）を含み、通気管に導かれた圧縮空気を小さな微小気泡として拡散させる。

以下、水塊の運動下における図１の装置の板状本体２の変位を検討する。水塊の運動は、装置が配置される深さＨからＨ１の間では、主として往復運動である。水塊の点は、任意の中心に対して円運動する。本体２の下端が土台４の溝４１に固定されているので、プレート２上の点の全ては、双方向の矢印によって示される湾曲軌道に沿って、水塊の往復運動下で一定の角度回転する。回転運動の運動中心は、プレートの下端に設けられた玉継手２；２１に位置する。プレート２は、概ねその中心において、圧縮シリンダのピストン３；３２に取付けられている。プレート上の点は、水塊の往復運動下で、玉継手２；２１の点に対して、左から右へそして左へと回転するので、ピストン３；３１は、圧力タンク３；３１内に入出を行なう。これにより、プレートの回転運動を、圧力タンク内のピストンのポンプ運動に変換することが出来る。ポンプ運動は、本体２の頂部に設けられた水よりも軽量のフロートにより強化される。ピストン３；３２のポンプ運動により、空気が第１のエア・ホース３３；３３ｂを介して圧力タンク３；３１に吸収され、第２のエア・ホース３３；３３ａを介して図２に示される揚水機構７に送られる。

図２の揚水機構７の通気部９に第２のエア・ホース３３；３３ａを介して空気が供給されると、空気は、空気収集タンク９；９１内に小さな気泡になって拡散し、通気パイプ９；９２から導管８；８３に射出される。上昇する気泡は、導管８；８３内でベンチュリ効果を発生させ、導管８；８３内の水が表面に近づく、すなわち矢印で示される方向へ通過し、それとともに、新鮮な水が水底に位置する底部を通って導管に入る。この運動の間、水は、エネルギー回収ユニットの水圧タービン８；８１を回転させる。水圧タービンの回転エネルギーは、従来の集積ユニット（８；８２）で電気に変換される。

本発明の方法および本発明を使用した装置として、実施形態の一例のみを述べたが、当業者にとって、本発明を請求の範囲に記載された発明の主題の範囲から逸脱することなく、他の多くの方法に適用可能である。

本体は、上述のごとく、適切な固定手段により底に取付けられる土台あるいは同様の締結具を介在させて、底に間接的に取付けても、代わりに、例えば、締結ラグ等によって水底に直接取付けてもよい。

水塊の往復運動が板状本体によって運動エネルギーに変換される場合、波力エネルギーの効果的な利用の観点から板状本体は通常比較的薄いものであるが、場合によっては、例えば水塊の高い運動エネルギーのために、厚い本体が適切なこともありうる。

板状本体に代えて、水塊の往復運動を回転運動に変換する装置、例えば、土台に回転するように取付けられた円筒体や、土台に取付けられ、プロペラあるいは水塊運動の作用下で回転する何らかの部分を備えた装置により、水塊の往復ポンプ運動を運動エネルギーに変換することも出来る。

上述の実施形態では、板状本体の運動エネルギーは、ピストンによって、エネルギー貯蔵部として作用する圧縮シリンダ内に移送され、圧縮シリンダ内の媒体（空気）を圧縮する。このように圧縮された媒体、本件の場合の圧縮空気は、続いて、例えば揚水機構などの所望の用途に用いることが出来る。また、板状本体の往復運動は、他の多くの方法でもエネルギーに変換することが出来る。運動エネルギーを回収する手段は、例えば、プレートにおいて関節が設けられたアームを備えるとともに、当該アームが他の設備である発電機にレバー・システムにより接続され、エネルギーを電気に変換し、例えば、蓄電池に保存可能である。このように、プレートの力学的エネルギーは、電気に変換され、既に知られている従来の方法で実際の用途に配電するようにすることができる。エネルギー貯蔵部は、完全に水面下に浸るように配置されるのが好ましいが、もし、プレートの運動エネルギーが発電機により電気エネルギーに変換されるのであれば、エネルギー貯蔵部は、例えば、陸地に配置してもよい。

水塊の往復運動の運動エネルギーが回転運動の運動エネルギーに変換される場合、発電機により直接電気に変換して、既知の方法で保存してもよい。

上述の圧縮シリンダおよび蓄電池の他に、エネルギー貯蔵部は、エネルギーを作動流体の圧力の形式で保存する蓄圧器でもよい。

本発明の装置の側面図。 本発明の装置に供給されたエネルギーの利用形態を示す図。 水盆における波の動作図。

符号の説明

１ 装置
２ 本体
３ エネルギー貯蔵部
４ 土台
６ 水底
３；３１ 圧力タンク
３２ ピストン
３３；３３ａ 第１のエア・ホース
３３；３３ｂ 第２のエア・ホース

Claims (8)

1. 水塊（５）により、水底あるいはその付近に配置された本体（２）あるいはその一部を動作可能にさせた、波力エネルギーを利用する構成物において、
   本体の全体を水面下に没するように水中に浸し、
   かつ、中水深域の波のブレイクラインよりも深い深さで、本体の全体が、水塊（５）の各点の運動が往復運動あるいは楕円運動となる深さ領域に位置するように、該本体の下端を水底（６）に取付け、
   本体（２）あるいはその一部の運動エネルギーを、エネルギー貯蔵部（３）に回収し、
   当該エネルギーをエネルギー貯蔵部から適応対象物に移送させることを特徴とする波力エネルギーを利用する構成物。
2. 波長Ｌに対する水盆の深さＨの比が１／２０から１／２である領域において、水底に本体を固定することを特徴とする請求項１に記載の波力エネルギーを利用する構成物。
3. 水塊（５）の往復運動により、一端で水底に取付けられた板状本体（２）を動作可能にして、板状本体の運動エネルギーを、圧力タンク（３；３１）等の水面（５；５１）下に配置されたエネルギー貯蔵部に回収することを特徴とする請求項１または２に記載の波力エネルギーを利用する構成物。
4. 水塊の往復運動下で全体的あるいは部分的に動作するようになっている本体（２）と、本体あるいはその一部の運動エネルギーを、エネルギー貯蔵部（３）に保存する手段と、エネルギーをエネルギー貯蔵部（３）から適応対象物に移送させる手段とを備える波力エネルギー利用装置（１）において、
   中水深域の波のブレイクラインよりも深い深さで、本体の全体が、水塊（５）の各点の運動が往復運動あるいは楕円運動となる深さ領域に位置するように、該本体の下端が水底（６）に取付けられ、
   本体の全体が水面下に没するように本体の下端が水底（６）に取付けられ、
   かつ、該本体は、水塊の往復運動あるいは楕円運動下で全体的あるいは部分的に動作することを特徴とする波力エネルギー利用装置。
5. 本体（２）は、板状であって、その一端が水底（６）上の土台（４）に固定され、
   本体（２）あるいはその一部は、水の固有の重さよりも軽量であることを特徴とする請求項４記載の波力エネルギー利用装置。
6. 板状本体の運動エネルギーを、水面下に配置され、空気等の媒体を含む圧力タンク（３；３１）に保存することを特徴とする請求項５に記載の波力エネルギー利用装置。
7. 板状本体（２）と圧力タンク（３；３１）とを、水底（６）に配置された土台（４）に固定することを特徴とする請求項５または６に記載の波力エネルギー利用装置。
8. 装置（１）は、
   媒体を適応対象物に導く第１の配管（３３；３３ａ）と、
   媒体を圧力タンク（３；３１）に移送させる第２の配管（３３；３３ｂ）を備えることを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１項に記載の波力エネルギー利用装置。

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