JP4800386B2 - 波動エネルギー捕捉装置 - Google Patents
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Description
本発明は、波動エネルギー捕捉装置に関する。
本発明は、主に発電のために、海洋波動エネルギーを捕捉することに使用されるように開発されたものである。しかしながら、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、電気を発生するかわりに、淡水化のための高圧力水源を生成する往復動式ポンプに適用し、他の外部装置を駆動するように装置を構成してもよいことは理解されるだろう。
公知の波動エネルギー捕捉装置は、基部とこの基部に枢支接続されたパドルとを含む。パドルは、海洋波動に応じて略水平軸周りに揺動的に発振駆動されて発電機を駆動する。通常、パドルは固体プレートである。パドルは固定的に整列配置されることにより、固定面内でだけ揺動する。このパドルはまた一般的海洋条件にかかわらず、一定の作動範囲の動きを維持する。
公知の波動エネルギー捕捉装置に印加される波力の大きさと方向は、一般的な海洋条件に対応して変化する。波力は、穏やかな海洋条件にあっては極めて小さく、ハリケーンやサイクロン期間中等の極端な海洋条件にあっては極度に大きなものとなることがある。公知の装置は、大きな力に耐えるよう十分強固に作製したり、大量の波力を回避するよう設計したり、あるいはその両方を組み合わせるかのいずれかによって、極端な海洋条件に関連する大きな波力を耐え抜いている。
波動エネルギー捕捉装置を極度に大きな波力に耐えるに十分なほど強固に作製すると、装置が極めて大型になって重くなるという点で不利である。
極端な海洋条件に対処するために大量の波力を回避するよう装置を設計すると、より穏やかな海洋条件において装置を動作させる効率がより低くなってしまう点で不利である。
公知のエネルギー捕捉装置は、波動伝搬方向が固定整列配置されたパドルの整列から外れてしまったとき、動作が非効率的であるという点でさらに不利である。
公知の波動エネルギー捕捉装置は、固形パドルが、波動のエネルギーを捕捉するよりもむしろ反射させてしまいがちであるという点でまた不利である。
本発明の目的は、前記欠点の少なくとも１以上を実質的に克服し、または改善することにある。
従って、第１の態様において、本発明は波動エネルギー捕捉装置を提供し、この装置は、
水没面に固定的に接続される基部と、
長手方向軸と上端部と下端部とを有する少なくとも一つの細長い浮遊パドルであって、前記基部に第１の枢支軸周りに枢着され、波動運動が前記パドルに力を作用させたときに、所定角度範囲にわたり角度方向に揺動する、パドルと、
前記パドルに取り付けられ、前記パドルの角度方向の揺動により駆動されるエネルギー伝達部材と、
前記パドルに付随しており、前記角度範囲を前記第１の枢支軸に対する大きさ及び／又は角度位置において調整するよう構成されたパドル調整アセンブリと、を備えるものである。
水没面に固定的に接続される基部と、
長手方向軸と上端部と下端部とを有する少なくとも一つの細長い浮遊パドルであって、前記基部に第１の枢支軸周りに枢着され、波動運動が前記パドルに力を作用させたときに、所定角度範囲にわたり角度方向に揺動する、パドルと、
前記パドルに取り付けられ、前記パドルの角度方向の揺動により駆動されるエネルギー伝達部材と、
前記パドルに付随しており、前記角度範囲を前記第１の枢支軸に対する大きさ及び／又は角度位置において調整するよう構成されたパドル調整アセンブリと、を備えるものである。
機械をエネルギー伝達部材に接続し、前記パドルの揺動運動からエネルギーを抽出することが好ましい。機械は、前記エネルギー伝達部材からトルクを受け取るようにすることが好ましい。機械は、モータと発電機の両方として機能させることができると好ましい。前記機械に同期式永久磁石モータ／発電機を組み込むとより好ましい。好適な形態にあっては、前記モータ／発電機を完全に封止し、被加圧不活性ガスを充填して内部腐食や漏洩を防止する。
パドル調整アセンブリはパドルに作用する波力を示す値を検出するセンサを含むことが好ましい。パドル調整アセンブリは、検出値が所定範囲外に逸脱した場合にセンサに応答して角度範囲を調整する信号を送信するようにしたコントローラを含むとより好ましい。検出値が装置を損傷させる可能性のある波力を示す場合、コントローラが機械に対する外部電力の印加を制御し、前記パドルに作用する波力を低減させる構成にパドルを移行させることが好ましい。
前記パドルに作用する波力を低減する構成は、パドルの長手方向軸の平均位置を波動伝搬方向に垂直なひかれた垂直面に対しさらに傾斜させる構成であることが好ましい。センサが示す値に応じ、パドルを波動伝搬方向に略平行な構成に移行させて維持し、パドルに作用する波力を最小化させる。
センサによる検出値が前記装置を損傷させずエネルギー捕捉効率の点で最適値未満である波力を示す場合、コントローラがまた前記機械に対する外部電力の印加を制御し、前記パドルに作用する波力を増大させる構成にパドルを移行させると好ましい。前記パドルに作用する波力を増大させる構成は、パドルの長手方向軸の平均位置を波動伝搬方向に対する平行面に対し立ち上げる構成であることが好ましい。
前記パドルは離間配置ブレード列を含むことが好ましい。前記ブレードを前記第１の枢支軸に略沿って離間配置することがより好ましい。好適な形態にあっては、ブレード列は基部に最も近い一端から反対側の自由端へ扇形に広がっている。一実施形態では、ブレードは略流線形の前縁を備える。しかしながら、別の実施形態では前記ブレードは略傾斜する前縁を備える。
前記パドルは波動伝搬方向に対し自律配向することが好ましい。前記パドルは前記第１の枢支軸に略垂直な第２の枢支軸周りに水没面に対し枢着するとより好ましい。一実施形態では、基部は前記第２の枢支軸周りに水没面に枢着するようにする。しかしながら、他の実施形態では、基部を水没面に固定するようにし、パドルを前記第２の枢支軸周りに基部に枢着する。
軸を前記第１の枢支軸周りに前記基部に枢支接続し、前記パドルが前記軸に固定的に接続されて前記軸から延出することが好ましい。軸は、第２の枢支軸周りに前記基部に回動可能に装着したブラケットを介して基部に接続されると好ましい。好適な形態にあっては、前記軸と前記基部との間に水潤滑軸受を備える。
使用時、前記第１の枢支軸が略水平であり、前記第２の枢支軸が略垂直であることが好ましい。
第２の態様において、本発明は波動エネルギー捕捉装置を提供し、この装置は、
水没面に固定的に接続される基部と、
長手方向軸と上端部と下端部とを有する少なくとも一つの細長い浮遊パドルであって、前記基部に第１の枢支軸周りに枢着され、波動運動が前記パドルに対し力を作用させたときに所定角度範囲にわたり角度方向に揺動し、また前記第１の枢支軸に略垂直な第２の枢支軸周りに前記水没面に対し枢着され、波動伝搬方向に対し自律配向するよう構成された、パドルと、
前記パドルに取り付けられ、前記パドルの角度方向の揺動により駆動するエネルギー伝達部材と、を備えるものである。
水没面に固定的に接続される基部と、
長手方向軸と上端部と下端部とを有する少なくとも一つの細長い浮遊パドルであって、前記基部に第１の枢支軸周りに枢着され、波動運動が前記パドルに対し力を作用させたときに所定角度範囲にわたり角度方向に揺動し、また前記第１の枢支軸に略垂直な第２の枢支軸周りに前記水没面に対し枢着され、波動伝搬方向に対し自律配向するよう構成された、パドルと、
前記パドルに取り付けられ、前記パドルの角度方向の揺動により駆動するエネルギー伝達部材と、を備えるものである。
一実施形態では、基部は水没面に枢着される。しかしながら、他の実施形態では、基部を水没面に固定するようにし、パドルを前記第２の枢支軸周りに基部に枢着するようにする。
前記パドルに機械を接続し、前記パドルの揺動運動からエネルギーを抽出することが好ましい。機械は、好ましくは前記エネルギー伝達部材からトルクを受け取るようにする。機械は、モータと発電機の両方として機能させることができる。前記機械に同期式永久磁石モータ／発電機を組み込むとより好ましい。好適な形態にあっては、前記モータ／発電機を完全に封止し、被加圧不活性ガスを充填して内部腐食や漏洩を防止する。
パドル調整アセンブリがパドルに付随し、前記角度範囲を前記第１の枢支軸に対する大きさ及び／又は角度位置において調整するようにすることが好ましい。パドル調整アセンブリは前記パドルに作用する波力を示す値を検出するセンサを含むとより好ましい。好適な形態にあっては、パドル調整アセンブリは、検出値が所定範囲外に逸脱した場合にセンサに応答して前記角度範囲を調整する信号を送信するコントローラを含む。検出値が装置を損傷させる可能性のあるような波力を示す場合、コントローラが機械に対する外部電力の印加を制御し、前記パドルに作用する波力を低減する構成にパドルを移行させることが好ましい。
前記パドルに作用する波力を低減する構成はパドルの長手方向軸の平均位置を波動伝搬方向に垂直にひかれた垂直面に対しさらに傾斜させる構成とすることが好ましい。センサが示す値に応じ、パドルを波動伝搬方向に略平行な構成に移行させて維持し、パドルに作用する波力を最小化する。
検出値が装置を損傷させずエネルギー捕捉効率の点で最適値に満たない波力を示す場合、コントローラがまた前記機械に対する外部電力の印加を制御し、前記パドルに作用する波力を増大させる構成にパドルを移行させることが好ましい。前記パドルに作用する波力を増大させる構成は、パドルの長手方向軸の平均位置を波動伝搬方向に対する平行面に対し立ち上げる構成とすることが好ましい。
前記パドルは離間配置ブレード列を含むことが好ましい。前記ブレードは概ね前記第１の枢支軸に沿って離間させるとより好ましい。好適な形態にあっては、ブレード列は基部に最も近い一端から反対側の自由端へ扇形に広がっている。一実施形態では、ブレードは略流線形の前縁を備える。しかしながら別の実施形態では、前記ブレードは略傾斜する前縁を備える。
軸を前記第１の枢支軸周りに前記基部に枢支接続し、前記パドルが前記軸に固定的に接続されて前記軸から延出することが好ましい。軸は、前記第２の枢支軸周りに前記基部に枢着されたブラケットを介して前記基部に接続されることが好ましい。好適な形態にあっては、前記軸と前記基部との間に水潤滑軸受を備える。
使用時、前記第１の枢支軸が略水平であり、前記第２の枢支軸が略垂直であることが好ましい。
第３の態様において、本発明は波動エネルギー捕捉装置を提供し、この装置は、
水没面に対し固定的に接続される基部と、
長手方向軸と上端部と下端部とを有する少なくとも一つの細長い浮遊パドルであって、前記基部に第１の枢支軸周りに枢着され、前記パドルに対し波動運動が力を作用させたときに所定角度範囲にわたり角度方向に揺動する、パドルと、
前記パドルに取り付けられ、前記パドルの角度方向の揺動により駆動されるエネルギー伝達部材と、を備える。
水没面に対し固定的に接続される基部と、
長手方向軸と上端部と下端部とを有する少なくとも一つの細長い浮遊パドルであって、前記基部に第１の枢支軸周りに枢着され、前記パドルに対し波動運動が力を作用させたときに所定角度範囲にわたり角度方向に揺動する、パドルと、
前記パドルに取り付けられ、前記パドルの角度方向の揺動により駆動されるエネルギー伝達部材と、を備える。
機械を前記パドルに接続し、前記パドルの揺動運動からエネルギーを抽出することが好ましい。機械は、前記エネルギー伝達部材からトルクを受け取るようにすることが好ましい。機械はモータと発電機の両方として機能させることができることが好ましい。前記機械に同期式永久磁石モータ／発電機を組み込むとより好ましい。好適な形態にあっては、前記モータ／発電機を完全に封止し、被加圧不活性ガスを充填して内部腐食や漏洩を防止することができる。
パドル調整アセンブリがパドルに付随し、前記角度範囲を前記第１の枢支軸に対する大きさ及び／又は角度位置において調整するようにすることが好ましい。パドル調整アセンブリがパドルに作用する波力を示す値を検出するセンサを含むとより好ましい。好適な形態にあっては、パドル調整アセンブリは、検出値が所定範囲外に逸脱した場合に前記センサに応答して前記パドル運動範囲を調整する信号を送信するようにしたコントローラを含む。検出値が装置を損傷させかねない波力を示す場合、コントローラが機械に対する外部電力の印加を制御し、前記パドルに作用する波力を低減する構成に前記パドルを移行させるようにする。
前記パドルに作用する波力を低減する構成はパドルの長手方向軸の平均位置を波動伝搬方向に垂直にひかれた垂直面に対しさらに傾斜させる構成であることが好ましい。センサが示す値に応じ、パドルを波動伝搬方向に略平行な構成に移行させて維持し、パドルに作用する波力を最小化する。
センサによる検出値が前記装置を損傷させずエネルギー捕捉効率の点で最適値に満たない波力を示す場合、コントローラはまた前記機械に対する外部電力の印加を制御して前記パドルに作用する波力を増大させる構成にパドルを移行させるようにすることが好ましい。前記パドルに作用する波力を増大させる構成は、パドルの長手方向軸の平均位置が波動伝搬方向に対する平行面に対し立ち上げる構成とすることが好ましい。
前記ブレードは前記第１の枢支軸に略沿って離間配置されることが好ましい。好適な形態にあっては、ブレード列は基部に最も近い一端から反対側の自由端へ扇形に広がっている。一実施形態において、ブレードは略流線形の前縁を備える。しかしながら、別の実施形態では、前記ブレードは略傾斜する前縁を備える。
前記パドルは波動伝搬方向に対し自律配向すると好ましい。前記パドルがまた前記第１の枢支軸に略垂直な第２の枢支軸周りに前記水没面に対し枢着されるとより好ましい。一実施形態では基部は水没面に枢着される。しかしながら、他の実施形態では、基部を水没面に固定し、パドルを前記第２の枢支軸周りに基部に枢着する。
軸を第１の枢支軸周りに前記基部に枢支接続し、前記パドルが前記軸に固定的に接続されて前記軸から延出することが好ましい。軸は、第２の枢支軸周りに前記基部に枢着されたブラケットを介して基部に接続されることが好ましい。好適な形態にあっては、前記軸と前記基部との間に水潤滑軸受を備える。
使用時、前記第１の枢支軸は略水平であり、前記第２の枢支軸は略垂直であることが好ましい。
第４の態様において、本発明は波動エネルギー捕捉装置を提供し、この装置は、
水没面に固定的に接続される基部と、
離間配置ブレード列を有する少なくとも一つの細長い浮遊パドルであって、長手方向軸と上端部と下端部とを有し、前記基部に第１の枢支軸周りに枢着され、波動運動が前記パドルに対し力を作用させたときに所定角度範囲にわたり角度方向に揺動し、また前記第１の枢支軸に概ね垂直な第２の枢支軸周りに前記水没面に対し枢着され、波動伝搬方向に対し自律配向するよう構成された、パドルと、
前記パドルに取り付けられ、前記パドルの角度方向の揺動により駆動されるエネルギー伝達部材と、を備えるものである。
水没面に固定的に接続される基部と、
離間配置ブレード列を有する少なくとも一つの細長い浮遊パドルであって、長手方向軸と上端部と下端部とを有し、前記基部に第１の枢支軸周りに枢着され、波動運動が前記パドルに対し力を作用させたときに所定角度範囲にわたり角度方向に揺動し、また前記第１の枢支軸に概ね垂直な第２の枢支軸周りに前記水没面に対し枢着され、波動伝搬方向に対し自律配向するよう構成された、パドルと、
前記パドルに取り付けられ、前記パドルの角度方向の揺動により駆動されるエネルギー伝達部材と、を備えるものである。
第５の態様において、本発明は波動エネルギー捕捉装置を提供し、この装置は、
水没面に固定的に接続される基部と、
長手方向軸と上端部と下端部とを有する少なくとも一つの細長い浮遊パドルであって、第１の枢支軸周りに前記基部に枢着され、前記パドルに対し波動運動が力を作用させたときに、所定角度範囲にわたり角度方向に揺動し、また前記第１の枢支軸に略垂直な第２の枢支軸周りに前記水没面に対し枢着され、波動伝搬方向に対し自律配向するよう構成された、パドルと、
前記パドルに取り付けられ、前記パドルの角度方向の揺動により駆動されるエネルギー伝達部材と、
前記パドルに付随しており、前記角度範囲を前記第１の枢支軸に対する大きさ及び／又は角度位置において調整するよう構成されたパドル調整アセンブリと、を備えるものである。
水没面に固定的に接続される基部と、
長手方向軸と上端部と下端部とを有する少なくとも一つの細長い浮遊パドルであって、第１の枢支軸周りに前記基部に枢着され、前記パドルに対し波動運動が力を作用させたときに、所定角度範囲にわたり角度方向に揺動し、また前記第１の枢支軸に略垂直な第２の枢支軸周りに前記水没面に対し枢着され、波動伝搬方向に対し自律配向するよう構成された、パドルと、
前記パドルに取り付けられ、前記パドルの角度方向の揺動により駆動されるエネルギー伝達部材と、
前記パドルに付随しており、前記角度範囲を前記第１の枢支軸に対する大きさ及び／又は角度位置において調整するよう構成されたパドル調整アセンブリと、を備えるものである。
第６の態様において、本発明は波動エネルギー捕捉装置を提供し、この装置は、
水没面に固定的に接続される基部と、
離間配置ブレード列を有する少なくとも一つの細長い浮遊パドルであって、長手方向軸と上端部と下端部とを有し、前記基部に第１の枢支軸周りに枢着され、前記パドルに対し波動運動が力を作用させたときに所定角度範囲にわたり角度方向に揺動する、パドルと、
前記パドルに取り付けられ、前記パドルの角度方向の揺動により駆動されるエネルギー伝達部材と、
前記パドルに付随しており、前記角度範囲を前記第１の枢支軸に対する大きさ及び／又は角度位置において調整するよう構成されたパドル調整アセンブリと、を備えるものである。
水没面に固定的に接続される基部と、
離間配置ブレード列を有する少なくとも一つの細長い浮遊パドルであって、長手方向軸と上端部と下端部とを有し、前記基部に第１の枢支軸周りに枢着され、前記パドルに対し波動運動が力を作用させたときに所定角度範囲にわたり角度方向に揺動する、パドルと、
前記パドルに取り付けられ、前記パドルの角度方向の揺動により駆動されるエネルギー伝達部材と、
前記パドルに付随しており、前記角度範囲を前記第１の枢支軸に対する大きさ及び／又は角度位置において調整するよう構成されたパドル調整アセンブリと、を備えるものである。
第７の態様において、本発明は波動エネルギー捕捉装置を提供し、この装置は、
水没面に固定的に接続される基部と、
離間配置ブレード列を有する少なくとも一つの細長い浮遊パドルであって、長手方向軸と上端部と下端部とを有し、前記基部に第１の枢支軸周りに枢着され、前記パドルに対し波動運動が力を作用させたときに所定角度範囲にわたり角度方向に揺動し、また前記第１の枢支軸に略垂直な第２の枢支軸周りに前記水没面に対し枢着され、波動伝搬方向に対し自律配向するよう構成された、パドルと、
前記パドルに取り付けられ、前記パドルの角度方向の揺動により駆動されるエネルギー伝達部材と、
前記パドルに付随しており、前記角度範囲を前記第１の枢支軸に対する大きさ及び／又は角度位置において調整するよう構成されたパドル調整アセンブリと、を備えるものである。
水没面に固定的に接続される基部と、
離間配置ブレード列を有する少なくとも一つの細長い浮遊パドルであって、長手方向軸と上端部と下端部とを有し、前記基部に第１の枢支軸周りに枢着され、前記パドルに対し波動運動が力を作用させたときに所定角度範囲にわたり角度方向に揺動し、また前記第１の枢支軸に略垂直な第２の枢支軸周りに前記水没面に対し枢着され、波動伝搬方向に対し自律配向するよう構成された、パドルと、
前記パドルに取り付けられ、前記パドルの角度方向の揺動により駆動されるエネルギー伝達部材と、
前記パドルに付随しており、前記角度範囲を前記第１の枢支軸に対する大きさ及び／又は角度位置において調整するよう構成されたパドル調整アセンブリと、を備えるものである。
ここで本発明の好適な実施形態を、例示のみにより添付図面を参照し、説明する。
図面を参照すると、波動捕捉装置１０は基部１２を備え、基部１２は複数の基礎ボルト１５により水没面（すなわち、海底）１４に対し固定接続されるよう構成された円形の装着フランジ１３を有する。ブラケット１６が、基部１２に対し海底１４から略直角（すなわち、垂直方向）に延びる枢支軸１８周りに回動可能に装着されている。水没面１４に対し略平行（すなわち、水平方向）に延びる軸２０が、ブラケット１６に対し枢支軸２２周りに枢着されている。水潤滑軸受２４が、軸２０とブラケット１６との間だけでなく、ブラケット１６と基部１２との間にも配設してある。
長手方向軸２７を有する細長い浮遊パドル２６が、その一端で軸２０に固定的に接続されており、他側には自由端を有する。従って、パドル２６は基部１２に対し揺動可能であり、両方の軸１８，２２周りに水没１４している。波動運動がパドル２６に対し力を作用させたとき、パドル２６は軸２２周りに所定角度範囲にわたり角度的に揺動するよう構成されている。
パドル２６は、軸２２に略沿って直線的に離間配置した円滑面を有するブレード列２８を含む。ブレード列２８は、基部１２に最も近い一端から他方の自由端へと扇形に広がっている。軸１８，２２周りに枢着したパドル２６を組み合わせたブレード２８が扇形に広がっていることにより、パドル２６は波動伝搬方向に自律配向し、捕捉する波力の量を最大化することができる。
ブレード２８はまた最適離間させてあって、一般的条件に対し最大限可能な力を生み出す方法により、ブレード２８の周囲及びそれらの間を水が通過するよう構成されている。このブレード２８の離間配置はまた、反射発生を最小にしつつ、各波動内のエネルギーの大部分が吸収されるようにできる。配列ではなく単一の幅広ブレードを使用した場合には、大半の波動エネルギーが幅広ブレードの固体中央部から反射されるだろう。
ブレード２８は、図１〜図４に示すように、略流線形の前縁を備えていると好ましい。流線形のブレードは、対向する引きずり力を最小化しつつ波動運動の加速に起因する力を優先的に伝達する。多くの場合、効率を最適にする。他の状況にあっては、引きずり力を優先的に利用することが望ましいこともあり、この場合には図５〜図８に示すように傾斜する前縁を有するブレードが好ましい。ブレード２８の形状や剛性や間隔や浮力は、いかなる特定の地理的位置における任意の所与の波動条件においてもエネルギー変換を最大化するよう実験することにより最適化することができる。
軸２２周りのパドル２６の角度方向の揺動により、軸２０から延びる軸（図示せず）の形をとるエネルギー伝達部材が駆動される。この軸が、同期式永久磁石モータ／発電機３０の形態の機械の回転子を駆動する。モータ／発電機３０は完全に封止され、内部腐食や漏洩を防止すべく被加圧不活性ガスを充填されてもよい。モータ／発電機３０は電気負荷にさらされ、これにより波力が生成する印加トルクに抗するトルクが確立されるようになっている。軸２０がこの抵抗トルクに抗して角度方向に揺動すると、モータ／発電機３０が配電網に供給する電力を生成する。環境によっては、波力に抗して軸２０を駆動し、可変力の存在下で固定位置にパドル２６を保持することが望ましいこともある。このことはモータ／発電機３０に配電網から電力を供給することによってモータ／発電機３０がパドル２６を駆動するようにすることにより達成される。
使用時、パドルブレード２８は波力を少なくとも３通りの態様で捕捉し変換する。まず、波頭がブレード列２８に接近すると、列を通過する水流が一部制限され、列の海に面した側に一時的な水の集積を生ずる。このことにより、波動の伝搬方向にブレード２８に対する正味の力が生じる。この力はブレード２８に沿って軸２０に中継され、波動周期中、角度方向の揺動に寄与する。ここに記載された作用は、波動内のポテンシャルエネルギー（波頭と波の谷との間の高さの差に起因する）の軸２０内の力学的エネルギーへの変換を構成する。
エネルギー捕捉の第２の態様は、通過する波動の下側の揺動流に起因する、ブレード２８に対する引きずり力の直接変換である。この揺動流はブレード２８に対し引きずり力を与え、これがブレード２８に沿って軸２０に中継されて軸２０の制御された角度方向の揺動に寄与する。この動きは、波動フィールド内に含まれ、水の動きにより実現される動力学的エネルギーの直接変換を構成する。
動力学系のエネルギー変換の別の態様は、面の下側で水の粒子を加速することに起因する。流れが後方と前方に、上方と下方にはより少ない範囲（浅い水深にて）に振動すると、水粒子は加速し続いて減速し、停止し、さらに続いて方向を変える。これらの加速は、水没した物体に対し相当の力を与えることがよく知られており、しばしば加速力あるいは付加質量力と呼ばれる。この用語は、物体周りを通過するために加速させねばならない水の付加質量から、物体に与えられる力が生ずるという事実を指すものである。装置の作動に適した波動条件範囲全体において、前記した他の力に対し加速力はしばしば優勢となる。装置１０の動きは最適制御され、これによりエネルギー変換効率が最大化されるように全ての力が使用される。
装置１０は１５〜４５ｍ台の中間の水深における組み付けに適しており、垂直方向に配向したときにブレード２８が平均水位の若干上方へ延びるようになっている。このような水深にあっては、水分子は主に水平方向に動くが、より小さな垂直成分もまた有しており、流れは波動伝搬方向に前方と後方に振動する。波動がブレード２８を越えて伝搬すると、水の動きがブレード２８に対し時間で変化する力を与える。前方と後方に揺動させるこの力がブレード２８と軸２０を枢支軸２２周りに角度方向に揺動させてモータ／発電機３０を駆動し、電力を生成する。この揺動力の特性は、下記の形をとるモリソン（Ｍｏｒｒｉｓｏｎ）の式により一部記述される。
Ｆ＝Ｃｄ（ｌ／２ρＵ２）＊Ａ＋Ｃｍ（ρｄＵ／ｄｔ）＊Ｖ
ここで、第１項はブレード２８に対する流体力学的な引きずり（前記）に起因して発生し、第２項はブレード２８周りの水の加速（前記）に起因する。それゆえ、装置１０は水の速度と加速度の両方に起因する力を利用する。一部事例では、引きずり力と加速力は波動の一部に対し互いに対抗させてもよい。ブレードの形状と方位を最適化し、加速力又は引きずり力のいずれかを優先的に用いてもよい。
図１〜図４に示す流線形配向は優先的に加速力を最大化し、一方で図５〜図８に示す傾斜配向は引きずり力を優先的に最大化する。他に可能な有益なブレード形状や構成が図９に示してあり、ここでブレードと流体運動との間のより複雑な相互作用を用いることもできる。図９中、矢印Ｆは波動の伝搬方向を示す。
さらに、通過する波動に起因する自由面の偏向がブレード列２８の海に面した側に一定質量の水が集積されるようにする。このことが列全体の流体静力学的圧力と、他の注目する力と同じ方向において軸２０を角度方向に揺動させがちな正味の力との間の差異を生み出す。これらの全ての力を合算した作用が軸２０を角度方向の揺動態様にて効率的に駆動し、前方のストロークと後方のストロークの両方で電力が生成されるようにする。
波の高さと周期により概ね特徴付けられる波動条件に応じてパドル２６の動きの範囲が調整されて電力変換を最適化し、装置１０に対する損傷を防止する。これは、パドル２６に関連するパドル調整アセンブリを用いて達成される。パドル調整アセンブリは、パドル２６に作用する波力を示す値を検出するセンサ（図示せず）と、センサに応答してモータ／発電機３０に対する外部電力の印加を制御し、枢支軸２２に対しパドル２６が揺動する角度範囲の大きさ及び／又は角度位置を調整するコントローラ（図示せず）とを含む。
通常の作動条件にあり、装置に対する構造的損傷の危険性が低いときには、入力電力の最大量を変換することが望ましく、パドル２６は図２と図６に示すように、近垂直面周りに揺動するよう構成される。
十分に大きな波が発生すると、センサ（図示せず）はパドル２６を損傷させる可能性がある波力を示す値を検出する。これに応答し、コントローラ（図示せず）がモータ／発電機３０に対する外部電力の印加を制御し、図３と図７に示すようにパドル２６をこのパドル２６の平均位置を軸１８に対し傾斜させる構成に駆動し、波動エネルギーの一部を未利用のまま通過させ、装置１０が安全に機能し続けることができるようにする。モータ／発電機３０がうける抵抗を調整し、大きな波の下での復元力（主に浮力に起因）が装置を所定レベルを超えて立ち上げるに不十分であるようにすることにより、この傾斜位置が維持される。モータ／発電機３０はまた制御された方法でパドル２６の動きを制動するために短い間隔で配電網から外部電力を引き出し、これによりその揺動範囲を制限することができる。
ハリケーンやサイクロンの状態が生起する稀な事態において、センサは極端な事態を示す作用波力を示す値を検出する。これに応答し、コントローラはモータ／発電機３０に対する外部電力の印加を制御し、パドル２６を図４と図８に記す海底に対し平坦な流線形構成に駆動する。パドル２６は、モータ３０に対する比較的少量の外部電力の連続的印加によりこの位置に定置保持される。この位置では、ブレード２８はハリケーンの波に起因する大きな力の通路から除かれ、波力を最小化して装置１０を損傷に対し保護し続けるよう小さな底部速度に整合される。
極端な事態が通り過ぎると、センサはより通常な状態へ復帰したことを検出し、コントローラがモータ／発電機３０に対する外部電力の印加を制御し、パドル２６を海底に対し平行な状態からパドル２６に加わる力が増大する通常位置へ立ち上げる。この新たな位置において、センサが検出する値が装置１０を損傷させず波動エネルギー捕捉効率の点で最適値未満である波力を示す場合には、コントローラが応答してモータ３０に対する外部電力の印加を制御し、パドル２６をさらに立ち上げる。
装置１０は、その近傍を移動するボートや鯨等の物体の存在を検出するセンサ（図示せず）もまた備える。コントローラ（図示せず）はまたこのセンサに応答し、物体が域外に脱出するまで、パドル２６を図４と図８に示す流線形の構造へと移行させる。
基部１２は、装置１０を海底１６に接続する係留設備の一部を形成する。この係留設備は、本出願人の先のオーストラリア仮特許出願第２００６９０４０３０号と、これに基づく優先権を主張する同時係属国際特許出願とに詳しく説明されており、それらの開示は本願明細書に参照により取り込まれるものとする。
装置１０は単一の装置として組み付けてもよく、または複数組み付けて直流バスにて電力連結し、単一ケーブルを介して海岸に給電する波動エネルギー貯蔵場所を形成してもよい。
各種作動モードにより、かなり希少で極端な条件を除いた全ての条件下で装置１０が動作可能であることが理解されるだろう。このことは、中程度の大きな波においても作動不能となる公知の波動エネルギー装置に対する明確な利点である。さらなる利点は、サイクロンやハリケーンに見舞われがちで、他の最も公知のエネルギー装置がその地の一般的な海洋条件を乗り切れないために使用できない地域にも、装置１０が設置可能である点である。装置１０が一般的海洋条件に応じてその構成を調整するために、装置１０の大きさと重量が公知のエネルギー捕捉装置に比べ都合よく低減できることもまた理解されるだろう。これにより、装置１０の製造ならびに組み込みコストは、類似の公知の装置に比べ低減される。装置１０の別の利点は、離間配置ブレード列２８を使用することであり、これにより反射の発生を最小限にしつつ各波動内の大半のエネルギーを吸収することができる。装置１０はまた波動伝搬方向に都合よく自律配向し、その波動エネルギー捕捉効率を最大化する。流線形のブレード構成を使用することにより波動加速力の優先的な捕捉が可能となり、傾斜ブレード構成により波動引きずり力を優先的に捕捉できる点がさらに有利である。
特定の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、他の多くの形態でも実施可能であることは理解されるだろう。例えば、
・ブレードは、垂直方向ではなく水平方向に配置してもよい。
・パドルは、往復動海水ポンプを駆動して淡水化用あるいは他の外部装置の駆動用に使用する高圧の海水を生成することができる。
・ブレードは、２以上の軸に沿わせるか、または円形や他の構成にて整列させることができる。
・ブレードは、波動に対する応答を変更して効率を最大化する手段として、質量配置を変えることにより、または海水を取り込むか排出することにより、それらの内部重量分布を調整する手段を有していてもよい。
・ブレードは、モータ／発電機３０に対するエネルギー伝達を増大させる動作応答を達成する手段として、略可撓性でもよく、または１以上の箇所で関節結合してもよい。
・ブレードは、平均海面レベルにて垂直方向に配向してほぼ水没させてもよく、または海面から若干突出させてもよい。かつ／又は
・単一の装置に２以上のモータ／発電機を取り付け、それぞれ個別パドルに取り付けるとともにそれぞれ他方に対し動けるようにし、効率の増大に通ずる有用な相互作用を達成することができる。
・ブレードは、垂直方向ではなく水平方向に配置してもよい。
・パドルは、往復動海水ポンプを駆動して淡水化用あるいは他の外部装置の駆動用に使用する高圧の海水を生成することができる。
・ブレードは、２以上の軸に沿わせるか、または円形や他の構成にて整列させることができる。
・ブレードは、波動に対する応答を変更して効率を最大化する手段として、質量配置を変えることにより、または海水を取り込むか排出することにより、それらの内部重量分布を調整する手段を有していてもよい。
・ブレードは、モータ／発電機３０に対するエネルギー伝達を増大させる動作応答を達成する手段として、略可撓性でもよく、または１以上の箇所で関節結合してもよい。
・ブレードは、平均海面レベルにて垂直方向に配向してほぼ水没させてもよく、または海面から若干突出させてもよい。かつ／又は
・単一の装置に２以上のモータ／発電機を取り付け、それぞれ個別パドルに取り付けるとともにそれぞれ他方に対し動けるようにし、効率の増大に通ずる有用な相互作用を達成することができる。
１０ 波動エネルギー捕捉装置
１２ 基部
１３ 装着フランジ
１４ 水没面
１５ ボルト
１６ ブラケット
１８ 枢支軸
２０ 軸
２２ 枢支軸
２４ 軸受
２６ パドル
２７ 長手方向軸
２８ ブレード
３０ モータ／発電機
１２ 基部
１３ 装着フランジ
１４ 水没面
１５ ボルト
１６ ブラケット
１８ 枢支軸
２０ 軸
２２ 枢支軸
２４ 軸受
２６ パドル
２７ 長手方向軸
２８ ブレード
３０ モータ／発電機
Claims (28)
- 水没面に固定的に接続される基部と、
離間配置ブレード列を含む少なくとも一つの細長い浮遊パドルであって、長手方向軸と上端部と下端部とを有し、第１の枢支軸周りに前記基部に枢着され、波動運動が前記パドルに対し力を作用させたときに所定角度範囲にわたり角度方向に揺動する、パドルと、
前記パドルに取り付けられ、前記パドルの角度方向の揺動により駆動されるエネルギー伝達部材と、を備え、
使用時、前記パドルの浮力によって、前記パドルを垂直に配置するように付勢する復元力が生じる、波動エネルギー捕捉装置。 - 前記パドルに接続され、前記パドルの揺動運動からエネルギーを抽出する機械をさらに備える、請求項１記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記機械が前記エネルギー伝達部材からトルクを受け取るように構成された、請求項２記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記機械がモータと発電機の両方として機能するよう構成された、請求項２又は３記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記機械が同期式永久磁石モータ／発電機を組み込んでいる、請求項２〜４のいずれか１項に記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記モータ／発電機が完全に封止された、請求項５記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記モータ／発電機が被加圧不活性ガスを充填された、請求項５又は６記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記パドルに付随しており、前記角度範囲を前記第１の枢支軸に対する大きさ及び／又は角度位置において調整するよう構成されたパドル調整アセンブリを備える、請求項２〜７のいずれか１項に記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記パドル調整アセンブリが、前記パドルに作用する波力を示す値を検出するセンサを含む、請求項８記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記パドル調整アセンブリがコントローラを含み、前記検出値が所定範囲外に逸脱した場合に前記コントローラが前記センサに応答して前記角度範囲を調整する信号を送信する、請求項９記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記検出値が前記装置を損傷させる可能性があるような波力を示す場合、前記コントローラが前記機械に対する外部電力の印加を制御し、前記パドルに作用する波力を低減する構成に前記パドルを移行させる、請求項１０記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記パドルに作用する波力を低減する構成が、前記パドルの長手方向軸の平均位置を、波動伝搬方向に垂直にひかれた垂直面に対してさらに傾斜させる構成である、請求項１１記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記センサが示す値が所定の大きさを上回る波力を示す場合、前記パドルを波動伝搬方向に略平行な構成に移行させて維持し、前記パドルに作用する波力を最小化させる、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記センサによる検出値が、前記装置を損傷させずエネルギー捕捉効率の点で最適値未満である波力を示す場合、前記コントローラが前記機械に対する外部電力の印加を制御し、前記パドルに作用する波力を増大させる構成に前記パドルを移行させる、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記パドルに作用する波力を増大させる構成が、前記パドルの長手方向軸の平均位置を波動伝搬方向に対する平行面に対し立ち上げる構成である、請求項１４記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記ブレードが前記第１の枢支軸に略沿って離間配置された、請求項１〜１５記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記ブレード列が前記基部に最も近い一端から反対側の自由端へと扇形に広がっている、請求項１〜１６記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記ブレードが略流線形の前縁を含む、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記ブレードが略傾斜する前縁を含む、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記パドルが波動伝搬方向に対し自律配向する、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記パドルが、前記第１の枢支軸に略垂直な第２の枢支軸周りに前記水没面に対し枢着される、請求項２０記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記基部が前記水没面に枢着される、請求項２１記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記基部が前記水没面に固定され、前記パドルが前記第２の枢支軸周りに前記基部に枢着される、請求項２１記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記第１の枢支軸周りに前記基部に枢支接続された軸をさらに備え、前記パドルが前記軸に対し固定的に接続され前記軸から延出する、請求項１〜２３のいずれか１項に記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記軸が、前記第１の軸に略垂直な第２の枢支軸周りに前記基部に枢着されたブラケットを介して前記基部に接続される、請求項２４記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 前記軸と前記基部との間に水潤滑軸受をさらに備える、請求項２４又は２５記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 使用時、前記第１の枢支軸が略水平である、請求項１〜２６のいずれか１項に記載の波動エネルギー捕捉装置。
- 使用時、前記第２の枢支軸が略垂直である、請求項２１，２２，２３，２５のいずれか１項に記載の波動エネルギー捕捉装置。
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