JP4704752B2 - 海面波エネルギー変換器 - Google Patents
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Description
本発明は、一般にポンプ装置に関し、さらに詳細には、限定するものではないが、水の移動体積を利用して気体、液体、およびその組合せを第1の場所から第2の場所に移動させる、浮力ポンプ電力システムにおける浮力ポンプ装置に関する。
一般に波動現象と呼ばれるものを利用し、波動現象で観測されたエネルギーを有用で信頼性のあるエネルギー源に変換する試みが数多くなされてきた。波動現象は、物質の様々な状態を通して、例えば、電磁波の場合には真空を通して、振動衝撃によってエネルギーおよび運動量を伝達するものである。理論的には、エネルギーが通過するときに媒質自体は移動しない。媒質を構成する粒子が、単に並進的または角(軌道)パターンで移動してエネルギーを次から次へと伝達するだけである。波は、海洋面波のように、縦方向でも横方向でもない粒子運動を有する。さらに正確に言えば、波における粒子運動は、縦波と横波の両方の成分を含むのが典型である。縦波は、典型的にはエネルギーの伝達方向に前後移動する粒子を含む。これらの波は物質のすべての状態を通してエネルギーを伝達する。横波は、典型的にはエネルギーの伝達方向に対して垂直に前後移動する粒子を含む。これらの波は固体を通してのみエネルギーを伝達する。軌道波では、粒子が軌道経路を移動する。これらの波は、2つの流体(液体または気体)間の境界面に沿ってエネルギーを伝達する。
上で識別した問題および必要性は、本発明の原理による、波または流れによって駆動される浮力ポンプのシステムによって解決される。本浮力ポンプ装置は、流体が通過し得る浮力室を内部に画定する浮力ブロック筐体を具備する。浮力ブロックが、浮力室中の流体の上昇に応答して第1の方向に軸移動し、かつ浮力室中の流体の降下に応答して第2の方向に軸移動するように浮力室の内部に配置される。
波長(WL)は、波上の同等点(例えば、頂と頂または谷と谷)間の距離であり、さらに
静水水準(SWL)は、波がいずれも存在しない水面であり、概ね波高(WH)の中点である。
したがって、ピストン120は、「半行程」の降下および「半行程」の上昇(「落下行程」および「持上げ行程」とも呼ばれる)をそれぞれに有する。
実施例A:低い波サイズ
1.波の馬力
図4Aから4Dをさらに詳細に参照すると、波の馬力(波HP)が、次のように2分の1波長(1/2WL)の距離にわたって移動する波(W)に関して求められる。
上式で、
WV(波の体積)=(WW)(WD)(WH)(ガロンの水/立方フィート)
WW=波の幅(1/2WL)=17.5フィート
WD=波の深さ=17.5フィート
WH=波の高さ=5フィート
かつ
D=水の密度(8.33ポンド/ガロン)
かつ
HP=馬力単位(550)
かつ
WS=波の速度(1/2WL/WT)
かつ
WT=1/2WL移動するための波の時間(7.953秒)である。
上式で、
WV=(1,531立方フィート)(7.481ガロン/立方フィート)=11,453ガロン、かつ
WS=(17.5フィート)/(7.953秒)=2.2フィート/秒である。
落下行程時(図4Aおよび4B)に波(W)が浮力室104を通過すると、浮力ブロック104は重力によって谷(T)の中に落下する。落下行程(BBD)時に発生する浮力ブロックの馬力は、次式から求めることができる。
上式で、
BBV(浮力ブロックの体積)=(VB+VC)(7.48ガロン/立方フィート)
VB=基部114’aの体積=πr1 2h1
VC=錐体114’bの体積=(πh2/12)(d1 2+d1d2+d2 2)
かつ
(BBV)(D)=浮力ブロック114’の排除重量
上式でD=水の密度(8.33ボンド/ガロン)
かつ
WR=浮力ブロック114’材料に対する水の重量比
かつ
HP=馬力単位(550)
かつ
DSS=落下行程速度=BD/TD
上式で、BD=落下時の行程移動距離
TD=距離BDを移動するための時間
かつ
TRD=時間の比率(すなわち、波の1周期の間に浮力ブロックが落下する時間の比率)
=50%(対称的な長い波を仮定)
波HPの計算に関して以上に記載した例示的なデータを続けると、BBDに関する計算は次のようになる。
=0.79HP
(すなわち、浮力ブロックの落下行程から得られる馬力)
上式で、
BBV=(BV+VC)(7.48ガロン/立方フィート)
=π1 2h1+(πh2/12)(d1 2+d1d2+d2 2)(7.48ガロン/立方フィート)
かつ上式で、d1=17.5フィート;r1=8.75フィート
d2=3.5フィート
h1=1.5フィート
h2=2.0フィート
したがって、
BBV=[π(8.75)2(1.5)+(π(2.0/12)(17.52+(17.5)(3.5)+3.52)](7.48ガロン/立方フィート)
=(361立方フィート+199立方フィート)(7.48ガロン/立方フィート)
=(560立方フィート)(7.48ガロン/立方フィート)=4,186ガロン、
かつ
DSS=(1.00フィート)/(3.976秒)=0.25フィート/秒
かつ
(BBV)(D)=34,874ポンド(合計排除量)
かつ
(BBV)(D)(WS)=3,487(利用可能重量)
2b.浮力ブロックの持上げ馬力
持上げ行程時(図4Bおよび4C)に波(W)が浮力室104を通過し続けると、浮力ブロック104は、波が頂(C2)で最大に達するまでそれと一緒に上昇する。持上げ行程時に発生する浮力ブロックの持上げ馬力(BBL)は、次式から求めることができる。
上式で、
LSS=持上げ行程速度=BR/TR
BR=上昇時の行程移動距離=1フィート
TR=距離BRを移動するための時間=4.0秒
かつ
TRR=時間の比率
(すなわち、波の1周期の間に浮力ブロックが上昇する時間の比率)
=50%(対称的な長い波を仮定)
(BBV)(D)(1−WR)=持上げ行程時の利用可能重量(UWL)=31,382ポンド
したがって、
BBL=[(31,382ポンド)/550](1フィート/4.0秒)(0.5)=7.13HP
2c.合計入力馬力
したがって、浮力ブロックによって波から引き出された合計入力馬力量(BBT)は次式になる。
上で説明した上記の例示的数字を使用すると、浮力ブロック114’に関する合計入力仕事率は次ぎのようになる。
3.ピストンの汲上げ能力
浮力ポンプ装置が次式にしたがって水を汲み上げるように構成されるとき、ピストンは、半(1/2)行程ごとに、立方フィート/分(CFM)単位の所与の率およびポンド/平方インチ(PSI)単位の所与の圧力で水を汲み上げる。
上式で、
SV=1/2行程当たりの体積=(π/2)(ピストン半径)2(行程長さ)
=(π/2)(8.925インチ)2(12インチ)/(1,728立方インチ/立方フィート)
=1.74立方フィート
かつ
SPM=毎分当たりの行程=7.54行程/分
かつ
BP効率=例示的な浮力ポンプ装置の実証試験効率=83%
したがって、
PF=(1.74立方フィート)(7.54行程/分)(.83)
=10.88CFM=0.181CFSである。
上式で、
UWL=1持上げ行程時の利用可能重量=31,386ポンド
SV=1.74立方フィート
D=水の密度(8.33ポンド/ガロン)
かつ
SAP=ピストンの表面積(平方インチ)
=π(8.925インチ)2=250平方インチ
したがって、上の例示的な数字では、例示的な浮力ポンプ装置に関するPSI/行程は、次のように計算される。
=(31,386ポンド−108ポンド)/250平方インチ
=125PSI/行程
浮力ポンプ装置が空気を汲み上げるように構成されるとき、同様の結果を実現するように空気の圧縮率を補正するためにピストンの表面積を増やす。ピストンの半径が12.6インチに増大すると、ピストンの表面積(SAP)は498.76平方インチに増大する。また、ピストン上方の水の追加重量[(SV)(D)(7.48ガロン/平方フィート)=108ポンド]も除去され、よってピストンの空気圧(PPa)を計算するとき、持上げ行程時の利用可能重量(UWL)から減算されない。他の部材はすべて同じのままであり、ピストンの空気流量(PFa)およびピストンの空気圧(PPa)は次の値を有することになる。
PPa=51.8PSI/行程
ピストンを水の汲上げに使用するのか、それとも空気の汲上げに使用するのかの間における違いは当業者には容易に理解可能であるので、残りの実施例は水の汲上げに焦点を絞る。
水を汲み上げる構成にある典型的な浮力ポンプ装置が、典型的な水力タービンに動力を供給する際に使用するための典型的な貯水槽に連結されるとき、次の経験式を使用して浮力ポンプ装置によって発生する仕事率を測定する。
上式で、
BP効率=実証試験された浮力ポンプ効率=88%
水頭=PSIから水頭(フィート)への変換係数=2.310
損失=配管損失効率係数=0.068
配管フィート/区間=1本の配管が100フィートの長さを有し、かつ10本の配管=配管の1区間であり、
したがって
1マイルの配管=5.280区間の配管
T効率=既存の水力タービンに基づく変換効率=90%
KW=フィート/秒からKWへの変換に関する変換係数=11.8
HP=KWからHPへの変換に関する変換係数=.746であり、
したがって、従来技術の計算と組み合わせて上の例示的な数字を使用すると、浮力ポンプ装置を利用する典型的な電力システムに関する出力BPは次のようになる。
=.4558(利用可能な合計出力HP)
浮力ポンプ装置が空気を汲み上げるように構成されるとき、上記数字を使用すると典型的なシステムに関する出力仕事率(BPa)は約2.72HPになろう。出力仕事率を生成するために水力タービンを使用するのではなく、例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第5555728号に開示されたものを含めて、空気タービンが使用される場合もある。
したがって、入力HPから出力HPの変換効率は次式にしたがって求められる。
よって、経験的かつ理論的データを使用すると、本発明の原理による典型的な浮力ポンプ装置は、典型的な水力タービンと併用されるとき、通過する波から引き出された馬力(BBT)が約57%の変換効率で出力BPに変換され、この出力が次ぎに動力源として使用可能であることが理解される。
実施例B:平均的な波サイズ
上の例示的な計算は、典型的な浮力ブロック114’の幾何学形状および高さ(h1+h2)に応じて固定直径(d1)を有する浮力ブロック114’を使って行われた。波高(WH)は、それぞれの場所ごとに年間を通じて異なる場所および異なる時間に関して変化することが理解されるべきである。したがって、上述の様々な波特徴に基づいてこの浮力ブロックを再構成または調整することが望ましい。高い効率を確保するために、浮力ブロック114’の高さおよび直径を調整することができる。例えば、浮力ブロック114’は、下で説明するより大きな波高(WH)を有する波に適応するように、その基部104’a(h1)の高さおよび関連する直径を増大させるように設計または調整可能である。
ピストン行程長さ=42.2インチ
したがって、
SV(容積/行程)=12.8立方フィート
他の要素はすべて同じままであると仮定し、かつ上式を適用すると、次表、すなわち、表1が作成される。
したがって、浮力ポンプの高さを1.5フィートだけ増大させると、浮力ブロックの持上げおよび落下の際に、より大きな馬力をもたらし、かつ全体的な効率が向上した例示的なシステムでは、より大きな出力馬力をもたらすことが分かる。基本的には、現場におけるより大きな波の利用可能性が、所与の箇所でより大きな流量(例えば、PF=27.98CFM)、したがってより多くの馬力出力(例えば、BP=20.32HP)を生成するより大きな浮力ブロックおよびピストンを有する浮力ポンプの波力源となる。
表2に関するデータは、表に示した波高を有し、かつ低い波に関して時速3マイルで移動し、また高い波に関して時速8マイルで移動する波に基づいて作成された。上で説明した数式を使って低波および高波設定に関する馬力を計算した。浮力ブロックの直径および幅は、上で示しかつ説明したように、様々な波高および波の速度に対して浮力ポンプの効率を最大化するために、より大きな波環境で機能するように調整された。
表3では、これらの波高は、日ごとの平均を入手するために月別の日ごとにそれぞれ測定された。波周期は月全体に関して平均され、同じ波周期を月別のそれぞれの日に対して使用した。2001年1月に関して、5フィートの最低波高動作要件を有する例示的な浮力ポンプ装置であれば、合計動作日が31日であった。2001年2月に関しては、14日および25日には波の高さが5フィート未満であったので、例示的な浮力ポンプ装置では動作日が26日間に過ぎなかった。
このように1月および2月の動作日に関する波高の平均が、それぞれ9.89フィートおよび7.60フィートであることが求められた。2001年1月および2月に関する年周動作波高は、57日間の動作期間にわたる平均が8.75フィートになった。暦年2001では、8.54フィートの平均動作波高を有する動作日数が236日であった。本明細書に開示された浮力ポンプ装置の使用者は、公に利用可能なデータを入手しかつ所与の浮力ポンプ装置構成に関して効果的な年周波高および動作日を求めることができる。
Claims (4)
- 筒状の浮力室(112)を形成する浮力シリンダ(104)と、
上記浮力室(112)に収容され、波に応答して上記浮力室(112)の上下方向に移動可能な浮力ブロック(114)であって、
上記浮力ブロック(114)は、第1の部分(352;374)と、上記第1の部分(352;374)と組み合わされて上記第1の部分との間に閉鎖空間を形成する第2の部分(354;372)を有し、上記第1の部分(352;374)と第2の部分(354;372)は、上記第1の部分(352;374)に対して上記第2の部分(354;372)が上記浮力室(112)の上下方向又は径方向に移動して上記浮力ブロック(114)の容積を変化させるように連結されているものと、
上記浮力室(112)の上部に設けられた第1のキャップ(106)であって、上記第1のキャップ(106)を越えて上記浮力ブロック(114)が上方に移動するのを禁止するものと、
下端が上記第1のキャップに連結され、上記第1のキャップ(106)から上方に伸びるピストンシリンダ(108)と、
上記ピストンシリンダ(108)内に上下方向に移動可能に配置されたピストン(120)と、
上記第1のキャップ(106)を貫通するシャフト(116)であって、上記シャフト(116)は、上記浮力室(104)内に配置されて上記浮力ブロック(114)に接続された下端と、上記ピストンシリンダ(108)内に配置されて上記ピストン(120)に接続された上端を有し、上記ピストン(120)が波に応答して上記浮力ブロック(114)と共に往復移動するようにしてあるものと、
上記ピストンシリンダ(108)の上部に設けられ、上記ピストンシリンダ(108)内に閉鎖されたピストン室(122)を形成する第2のキャップ(110)であって、上記第2のキャップ(110)は、該第2のキャップ(110)に形成された入口バルブ(124)と出口バルブ(126)を有し、上記ピストンシリンダ(108)内における上記ピストン(120)の往復移動に応答して、上記入口バルブ(124)と出口バルブ(126)を介して上記ピストン室(122)に空気が出入りするようにしてあるものと、
を備えた浮力ポンプ。 - 上記第1の部分(352)に対して上記第2の部分(354)を移動させて上記浮力ブロック(114)の容積を変化させるために、上記浮力ブロック(114)に設けられたモータ(364;376)を有する請求項1の浮力ポンプ。
- 上記第1の部分(352)は第1のねじ山(360)を有し上記第2の部分(354)は第2のねじ山(362)を有し、上記第1のねじ山(360)と第2のねじ山(362)は互いに係合しており、
上記モータ(364)は上記第1の部分(352)に設けられており、
上記モータ(364)の駆動シャフト(366)は上記第2の部分(360)に接続されており、
上記モータ(364)の駆動に基づいて、上記第2の部分(354)が上記第1の部分(352)に対して上記長手方向に移動し、上記浮力ブロック(114)の容積が変化するようにしてある請求項2の浮力ポンプ。 - 上記第1の部分(352)は複数の外板(372)を有し上記第2の部分は複数の内板(374)を有し、上記複数の内板(374)は上記複数の外板(372)と協働して上記浮力ブロック(114)の閉鎖空間を形成し、
上記複数の外板(372)は上記複数の内板(374)と歯車(378)と複数の拡張バー(380)を介して連結されており、上記外板(372)が上記内板(374)に対して時計回り方向又は反時計回り方向に移動すると、上記浮力ブロック(114)の径が拡張又は収縮して、上記浮力ブロック(114)の容積が変化するようにしてある請求項2の浮力ポンプ。
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