JP4994221B2 - リニア発電機(leg)を備えた波力エネルギー変換器(wec) - Google Patents
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Description
2.知られているリニア発電機システムでは、インダクション・コイルは外郭構造または支柱の不可欠の部分(例えばインダクション・コイルが波力エネルギー変換器の構造要素のうちの1つを取り巻く)であり、その結果として複雑で費用の嵩む機械設計につながり、かつ/または
3.知られているリニア発電機の磁石アセンブリおよびインダクション・コイル・アセンブリは防水性筐体の中に一緒に収納されなければならず、空気/水の界面で信頼性に欠け、かつ/または費用の嵩む密封用装置を必要とする。
これらの欠陥は本発明を具現化するシステムの中で克服される。
I.本発明を実践するために適したシステム
本発明を実践するために適した波力エネルギー変換器(WEC)は図6A、6B、および6Cに示されるタイプのシステムを有することが可能である。図6Aは、係留されるかまたは錨で固定された垂直の支柱(スパー)12を備えた通常では海洋の水面よりも下に沈められる中立的浮揚性の外郭構造10を示している。図6Bは、やはり係留されるかまたは錨で固定された垂直の支柱(スパー)12を備えた通常では海洋の水面に浮いている浮揚性の外郭構造を示している。図6Cは二重式の波力エネルギー吸収装置を例示しており、ここでは外郭構造10とスパー12が互いに相対して移動し、外郭構造は波と概して同相であり、スパーは外郭構造および/または海洋の波と異なる位相で動く傾向を有する。図6A、6B、および6Cに示されるWECの各々は、「外郭構造」と「スパー」との間に接続されたリニア発電機(LEG)装置20を有するパワー・テイクオフ(PTO)装置を1つまたは複数有することが可能である。
いくつかの理由でリニア発電機(LEG)がWECのパワー・テイクオフ(PTO)装置として提案される。電気系統全体の推定の効率は定格の力と速度で90%を超えると見積もられる。この効率は既にある水力発電システムの効率80%未満を優に上回る。油圧部品もやはり高価であり、限られた寿命と信頼性を有し、据え付けと保守管理の課題を呈する。油圧部品の排除がLEGを使用する重要な理由である。
1.油圧式または他の機械式の変換装置を除外する。油圧式または機械式の変換システムに付随してかなりのパワーの(効率の)損失があるので、これは効率の大幅な利得に結果としてつながるはずである。
2.LEGシステムのライフ・サイクル・コストは油圧ポンプ/発電機システムよりも安価なはずである。
3.LEGの効率の利得は油圧システムよりも信頼性がある。
4.LEGシステムは双方向の電力の流れの動作を可能にする。
図6A、6B、および6Cに示されたWECは図1Aから1Hに示されるようなLEGアセンブリを組み入れることが可能である。本発明の或る態様はこれらの図を参照して説明されることが可能である。これらのWECは水域(例えば海洋)に置かれることを目的とされ、波が中央の支柱(ピストンまたはスパー)12に相対して外郭構造10を上下に移動させる。すなわち、海洋の波の上下運動が外郭構造10に力を加え、波力エネルギー変換器システムの静止型部材であることが可能なスパー12に相対した外郭構造の上下運動を生じさせる。場合によっては、スパー12もまた移動型部材であることが可能であるが、しかしその動きは外郭構造の運動と異なる位相となる傾向を有する。図1A〜1Dでは、スパー12は錨で固定されて静止型で示され、外郭構造10が上下に移動する。図1E〜1Hでは、外郭構造10とスパー12が両方共に互いに相対して移動することが可能であり、外郭構造は概してスパーとは逆の方向に移動する傾向を有する。
図1A〜1Dおよび図2A〜2DはLEGアセンブリのいくつかの考え得る場所および外郭構造とシャフトへの機械的連結を例示している。これらの異なった構造は、部分的には、本発明を具現化する「可撓性の」LEG構造の使用のせいで可能にされる。
LEGから得られる電力の電圧と周波数は、磁石とコイルが相互作用する速度(すなわち一方が他方の上または傍を通り過ぎるスピード)の関数である。概して、LEGの磁石(またはコイル)を通り過ぎるコイル(または磁石)の速度を2倍にすることは結果として所定のコイル構造に関してLEGから得られる出力の電圧と周波数を2倍にすることにつながる。一定の電力入力に関しては、LEGの磁石(またはコイル)を通り過ぎるコイル(または磁石)の速度を2倍にすることは結果としてLEG上に、またはLEGによって行使される力を半分にし、したがってコイル・アセンブリのサイズを半分にすることにつながる。その結果、磁石沿いに通過するコイルの速度を上げることがしばしば望ましい。この結果を達成するためのシステムが図1Dに示されており、これはWECの外郭構造の外壁上に配置された背中合わせのLEGを示している。
Δv=v1+v2=v1(b+a)/a
注)式1Aを正確に解釈するために、v1とv2が逆方向に進んでおり、それにより、一方の方向に正符号が割り当てられれば逆方向が負であることを思い出すべきである。
図8は先行技術による機械的な緩衝作用システムを例示しており、ここではPTOは外郭構造10と中央支柱12との間に接続され、外郭構造10がシャフト・ヘッド803に相対して或る一定のレベルよりも上に進むこと、およびシャフト・ヘッドに相対して或る一定のレベルよりも下に進むことを阻止するために機械的な緩衝手段801a、801b、801c、および801dが使用される。このタイプのシステムでは、停止部801a、b、c、およびdへと加えられる過剰の力が存在することが可能である。本発明によると、外郭構造と支柱との間に連結される電磁的な手段を使用して動的なブレーキ作用/緩衝作用が達成されることが可能である。
図11は、本発明に従って磁石アセンブリ22がインダクション・コイル・アセンブリ24から独立してパッケージ化されることを例示している。磁石アセンブリ22はスチールの容器222に封入され、インダクション・コイル・アセンブリはスチールの容器224に封入される。このパッケージ化に伴なう問題は、磁石アセンブリがコイル・アセンブリ上を通り過ぎる(またはその逆の)とき、導電性のスチール容器の中の変化磁束に起因する渦電流損失が存在することである。磁石が上を通り過ぎると、変化磁束がカバーの中に電圧(e=(k)(dφ/dt))を誘導し、カバーの高い導電性を前提とすると結果として高いカバー材料の電流につながり、それが今度は他方で寄生の電力損失と磁場につながり、それがLEGの性能を低下させる可能性が高い。パッケージ化の手法に伴なう別の問題は、磁束が隣りの磁極もしくは複数磁極と結合するための低い磁気抵抗経路を磁石アセンブリとコイル・アセンブリのカバーが供給することである。結果として、コイル・アセンブリ内の導体を取り巻く磁束が少なくなり、したがって磁気回路、およびそれゆえにLEGの効率を低下させる。
VLINE−LINE=KE・VS (3)
KFパラメータはLEGの後進力を発電機のライン電流の関数として関連付け、
FLEG=KF・IGEN (4)
ここでIGENは発電機のライン電流である。
沈水させられたWECブイについては、パラメータδが波動方程式の解から直接導き出され、縦方向寸法での圧力の減少を表わす。それは
1.PMAまたはICAのスピードがレバー・アームの比で上げられる[vleg=vfloat×(a+b)/a]と、実効の力はレバー・アームの比で下がる[パワー(スピード×力)は変化しない]。1:1のレバーについては、相対速度が2倍になり、その一方で実効の力は半分に削減される。
2.しかし、ほぼ力(通常では1平方メートル当たり20〜25kN)に比例する磁石アセンブリの必要とされるサイズは、もしも力が半分に削減されれば、半分に削減されることが可能である。正味の結果は、PMAのサイズが大幅に(例えば6平方メートルから3平方メートルへと)減らされ得るということである。
3.一方の構成要素(すなわちPMA)のサイズをレバー比で減らすことは、概して、他方の構成要素(例えばステータとして機能するICA)のサイズ(すなわち長さ)がレバー比だけ上昇することを必要とする事態を引き起こす。1:1のレバーについては、ステータの長さが2倍になり、その一方で磁石アセンブリの長さが半分になる。磁石アセンブリとコイル・アセンブリがゼロ以外のいくらかの長さを有することを前提として、その比はレバー・アーム比に完全に比例するわけではない。
1.ICAの出力部で作り出される電圧がPMAの一定の磁極ピッチに関してスピードに比例する。最小磁極ピッチは維持されることが可能な空隙の幅によって概して決められる。磁極ピッチは空隙の幅の少なくとも25倍でなければならない。効率は概して電圧と共に上昇する。したがって、一層高い速度と電圧は概して一層高い効率と解釈される。一層高い電圧は、電流が減少してI2R損失が下がるので望ましい。また、電力変換器のスイッチング装置は一定の電圧降下(例えばIGBTトランジスタについては1.8V)をしばしば有するので、一層高い電圧は望ましい。
2.周波数が一定の磁極ピッチに関してスピードに比例する。最小磁極ピッチは維持されることが可能な空隙の幅によって概して決められる。受動性の整流システム(複数のダイオードとキャパシタのセットから成る)が概してさらに良好に機能し、かつ/または一層高い電気的周波数に関して一層小型である。もしも電圧リップルが懸案事項であれば、一層高い周波数はキャパシタのサイズまたは電圧リップルの量を下げるために役立つ。
3.永久磁石アセンブリは通常ではLEGシステムのうちの重く、かつ費用の嵩む部分である。したがって、ステータのサイズを上げることを犠牲にして磁石のサイズを下げることは概してシステムの質量と経費を救済する。
4.磁石アセンブリのサイズを縮小することは
a.塵を拾うことから防護し易い、
b.作業員を防護し易い、
c.さらに少ないPMA−ICA引力となり、これは軸受けの設計を簡素化する(例えば小型の1kWのLEGは4トンの引力を有したのでこれは重要である)、
といったいくつかの恩典を有する。
Claims (11)
- 水域に置かれることを目的とされ、前記水域にある波に応じて互いに相対的に移動する外郭構造(10)および支柱(12)と、
前記支柱と外郭構造のうちの一方に取り付けられた永久磁石アセンブリ(PMA)(22)、および前記支柱と外郭構造のうちの他方に前記PMAと対向するように取り付けられたインダクション・コイル・アセンブリ(ICA)(24)であって、前記PMAと前記ICAを互いに通過させ、かつ前記PMAと前記ICAが互いに相対的に移動するときに前記ICAの両端に電圧を発生させ、それにより、前記外郭構造と支柱の相対的移動を電気エネルギーへと変換するための前記PMAと前記ICAを有する波力エネルギー変換器(WEC)であって、
前記PMAが第1の筐体(411)に入れられ、前記ICAが前記第1の筐体とは異なって独立した第2の筐体(413)に入れられており、
第1の支持構造体(127)が、前記第1の筐体内の、前記外郭構造と支柱のうちの一方に取り付けられ、そして複数の分節へと分割されており、
前記PMAは、前記第1の支持構造体(127)の複数の分節の各々に取り付けられた複数の分節へと分割されており、
前記インダクション・コイル・アセンブリは、前記第2の筐体内の第2の支持構造体(123)に沿って延びており、前記第2の支持構造体は、前記インダクション・コイル・アセンブリ及び前記永久磁石アセンブリを介在させて前記第1の支持構造体に対向して配置され、
(a)前記PMAと前記ICAとの間に相対的に一定した隙間を維持するために、および(b)前記PMAと前記ICAとの間の動きを容易にするために、前記第1の支持構造体と第2の支持構造体との間に車輪と軸受けのうちの少なくとも一方(401)が配置され、
一対の前記車輪と軸受けのうちの少なくとも一方は、前記第1の支持構造体の複数の分節の各々に取り付けられ、前記第2の支持構造体に沿って滑るまたは転がるように配置されている、波力エネルギー変換器。 - 前記第1および第2の筐体が防水性の材料で作られる、請求項1に記載の波力エネルギー変換器。
- 前記第1および第2の筐体が非磁性の材料で形成される、請求項2に記載の波力エネルギー変換器。
- 渦電流損失を大幅に減少させるために前記第1および第2の筐体が極めて薄い、請求項3に記載の波力エネルギー変換器。
- 前記PMAおよび前記ICAが前記外郭構造および支柱のそれらのそれぞれの部分へと取り付けられ、前記外郭構造および支柱の壁に装着される、請求項1に記載の波力エネルギー変換器。
- 前記PMAが表面型磁石構造で配列された永久磁石を有し、前記永久磁石が前記第1の筐体の中に収容された磁石支持構造体の上に乗り、前記ICAが、前記第2の筐体の中に収容された支持構造体の上に乗る長穴付きの接極子コアに巻かれた導電性のコイルを有する、請求項1に記載の波力エネルギー変換器。
- 前記磁石支持構造体および前記コイル支持構造体が強磁性体のヨーク(122)を含む、請求項6に記載の波力エネルギー変換器。
- 前記PMAが埋め込み型磁石構造に配列された永久磁石を有し、前記PMAが前記第1の筐体の中に収容された磁石支持構造体を有し、前記ICAが、前記第2の筐体の中に収容された支持構造体を含む長穴付きの接極子コアに巻かれた導電性のコイルを有する、請求項1に記載の波力エネルギー変換器。
- 前記磁石支持構造体が、非磁性の支持構造体の上に乗る強磁性のプレート(122)を含む、請求項8に記載の波力エネルギー変換器。
- 対応する支持構造体を有する前記PMAが前記支柱と前記外郭構造のうちの一方に取り付けられ、対応する支持構造体を有する前記ICAが前記外郭構造と支柱のうちの他方に取り付けられる、請求項1に記載の波力エネルギー変換器。
- 対応する支持構造体を有する前記PMAと前記ICAのうちの一方が前記外郭構造の外壁へと取り付けられ、前記PMAと前記ICAのうちの他方が、前記外壁に取り付けられた前記PMAと前記ICAのうちの前記一方に対面するように位置決めされる、請求項1に記載の波力エネルギー変換器。
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